Om grönalger av arten Chlamydomonas reinhardtii möter Pseudomonas protegens-bakterier, deras öde är beseglat. Bakterierna, mäter bara cirka två mikrometer, omger algerna, som är cirka fem gånger större, och attackera dem med en dödlig giftig cocktail. Algerna tappar sina flageller, vilket gör dem orörliga. De gröna encelliga organismerna blir då deformerade och kan inte längre föröka sig. Den kemiska mekanismen bakom denna extremt effektiva attack har nu avslöjats av botaniker och naturproduktkemister vid Friedrich Schiller University, Jena (FSU) och Leibniz-institutet för naturproduktforskning och infektionsbiologi – Hans Knöll-institutet (HKI).

Det är ett fruktansvärt skådespel som möter Prasad Aiyars ögon när han tittar ner i mikroskopet. Doktoranden från Indien, som kom till Jena för att göra sin magisterexamen i Molecular Life Sciences, undersöker arten Chlamydomonas reinhardtii på ett objektglas. De ovala mikroalgerna, drygt 10 mikrometer i storlek, har två flageller som de simmar runt med – dvs. tills Prasad Aiyar använder en pipett för att tillsätta en droppe av en bakterielösning. De ännu mindre bakterierna samlas till svärmar, som omger algerna. Bara 90 sekunder senare, algerna är orörliga och när man tittar närmare, man kan se att deras flageller har fallit av.

Jenaforskarna har upptäckt varför dessa bakterier har en så förödande effekt på grönalgerna. Det verkar som om ett kemiskt ämne spelar en central roll i processen, som teamen under Prof. Maria Mittag och Dr Severin Sasso från FSU, och Prof. Christian Hertweck från Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology – Hans Knöll Institute (HKI) – rapport i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

Orfamide A, som ämnet kallas, är en cyklisk lipopeptid som bakterierna frisätter, tillsammans med andra kemiska föreningar. "Våra resultat indikerar att orfamid A påverkar kanaler i cellmembranet, vilket leder till att dessa kanaler öppnas, " förklarar Dr Severin Sasso. "Detta leder till ett inflöde av kalciumjoner från miljön till algernas cellinre, ", tillägger chefen för forskningsgruppen Molecular Botany. En snabb förändring i koncentrationen av kalciumjoner är en vanlig larmsignal för många celltyper, som reglerar ett stort antal metabola vägar. "För att kunna observera förändringen i nivån av kalcium i cellen, vi introducerade genen för ett fotoprotein i grönalgerna, vilket orsakar bioluminescens om kalciumnivån ökar. Detta gör det möjligt för oss att mäta mängden kalcium med hjälp av luminescensen, " förklarar prof. Mittag, Professor i allmän botanik. I vissa fall, förändringarna i kalcium leder till förändringar i rörelseriktningen, till exempel efter ljusuppfattning. I andra fall, till exempel efter bakterieangrepp, de orsakar förlusten av flagellerna.

Forskar om det "kemiska språket"

Dessutom, teamen kunde visa att bakterierna kan knacka på algerna och använda dem som näringskälla om de saknar näringsämnen. "Vi har bevis för att andra ämnen från den giftiga cocktail som frigörs av bakterierna också spelar en roll i detta, " säger Maria Mittag. Hennes team, återigen i samarbete med teamen av Prof. Hertweck och Dr Sasso, vill nu också spåra dessa ämnen, för att få en exakt förståelse för denna kemiska kommunikation mellan alger och bakterier.

Många forskargrupper har ägnat sina ansträngningar åt att studera det "kemiska språket" mellan mikroorganismer och deras miljö som en del av Collaborative Research Center "ChemBioSys". Mikrobiella artsamhällen förekommer i praktiskt taget alla livsmiljöer på jorden. "I dessa samhällen, både artsammansättningen och förhållandet mellan enskilda organismer av en eller flera arter regleras av kemiska mediatorer, " säger prof. Hertweck, som är föredragshållare för Collaborative Research Center och chef för avdelningen för biomolekylär kemi på HKI.

Syftet med det tvärvetenskapliga forskningspartnerskapet är att förklara de grundläggande kontrollmekanismerna i komplexa biosystem, som påverkar hela livet på jorden. "Vi vill förstå mekanismerna genom vilka de mikrobiella samhällsstrukturerna bildas och deras mångfald upprätthålls." De är viktiga, eftersom livets väsentligheter – inte minst för människor – beror på dem, till exempel mat eller luft.

Detta gäller även för mikroalger som Chlamydomonas reinhardtii. Sådana fotosyntetiska mikroorganismer (fytoplankton) bidrar med cirka 50 procent till att fixera växthusgasen koldioxid och, som en biprodukt av fotosyntesen, de tillför det syre som är nödvändigt för vår överlevnad. Dessutom, mikroalger, som finns i sötvatten, våta jordar eller världens hav och oceaner, utgör en viktig bas för livsmedelskedjor, speciellt i vattensystem. Till exempel, djurplankton i haven livnär sig på algerna och tillsammans ger de mat åt kräftdjur, som i sin tur äts av fisk, innan dessa äts av större fiskar eller fångas av människor. "Med tanke på mikroalgernas enorma betydelse för människors liv, vi vet fortfarande förvånansvärt lite om de grundläggande elementen och interaktionerna i deras mikroskopiska värld, " säger prof. Mittag.