Bakterien werden in den Lebenswissenschaften aktuell nicht nur als Krankheitskeime oder andererseits wertvolle Symbionten des vielzelligen Lebens untersucht, sondern sie eignen sich zudem als einfache Modellorganismen zur Erforschung der Grundprinzipien der Biologie. An der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) beschäftigt sich die Arbeitsgruppe Mikrobielle Biochemie und Zellbiologie um Professor Marc Bramkamp am Beispiel des stäbchenförmigen Bakteriums Bacillus subtilis unter anderem mit bakteriellen Organisations- und Reproduktionsmechanismen. Auf diese Weise suchen die Kieler Forschenden nach biologischen Mustern und allgemeingültigen Prinzipien, die für die molekulare Organisation des Lebens insgesamt von grundlegender Bedeutung sind.
Ein solcher fundamentaler Prozess ist die bakterielle Zellteilung, mit der sich die einzelligen Lebewesen in der Regel durch das Kopieren ihres Zellinhalts vervielfältigen. Dadurch können sich Bakterien unter passenden Umweltbedingungen sehr schnell vermehren; eine grundlegende Eigenschaft, die zu ihrem Erfolg in nahezu allen Lebensräumen beiträgt. Das Duplizieren des gesamten Organismus erfordert dabei eine präzise Trennung und Verteilung von zwei identischen Kopien des bakteriellen Erbguts. Entscheidend ist, dass die Zellteilung korrekt lokalisiert ist und auch nur einmal im Zellzyklus erfolgt. An diesem Mechanismus ist bei Bakterienzellen zentral das sogenannte Min-System beteiligt, dessen Proteine die Zellteilung räumlich regulieren.
Beim bekannten Stäbchenbakterium Escherichia coli ist dieser Prozess seit Jahren im Detail erforscht: Hier sorgt das Min-System dafür, dass sich die Zellen genau in der Mitte teilen und keine unkontrollierte Zellteilung im Gang kommt. Vom Bakterium B. subtilis war hingegen seit einiger Zeit bekannt, dass ihm ein bestimmter Bestandteil dieses Systems fehlt, nämlich das als Aktivator des Teilungsprozesses fungierende MinE-Protein. In einer neuen Forschungsarbeit konnten Prof. Bramkamp und sein Team nun zeigen, dass diese Bakterienart jedoch kein spezifisches Aktivierungs-Protein für die die räumliche Organisation des Min-Systems braucht. Sie fanden heraus, dass das MinD-Protein in B. subtilis durch seinen ATP-abhängigen Zyklus zwischen cytosolischem und membrangebundenem Zustand wechselt, wobei bereits die Membranbindung ausreicht, um die ATPase-Aktivität von MinD zu aktivieren und dadurch eine selbstorganisierte räumliche Musterbildung des Min-Systems zu ermöglichen. Ihre auf einer Kombination aus biochemischen Experimenten und Einzelmolekül-Bildgebung in der lebenden Zelle basierenden Ergebnisse veröffentlichten die Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kürzlich in der Fachzeitschrift eLife.
Bislang unbekannte Regulierung der Zellteilung bei B. subtilis
In der Zellbiologie galt seit Jahrzehnten das Zellteilungssystem des intensiv erforschten Bakteriums E. coli als Blaupause für den Reproduktionsmechanismus bei stäbchenförmigen Bakterien. Das aus mehreren Zellteilungsproteinen bestehende Min-System sorgt hier dafür, dass sich die Zelle nur einmal in der Mitte und nicht mehrfach in viele kleine, nicht lebensfähige Zellen teilt. Eine oszillierende Bewegung der Proteine zwischen den Zellpolen sorgt zudem dafür, dass die Teilungsstelle genau im geometrischen Zentrum der Zelle entsteht.
„Aus diesem Grund war man bisher davon ausgegangen, dass die Zellteilung bei B. subtilis ähnlich organisiert ist und wegen des fehlenden MinE-Proteins ein anderer Aktivator des Min-Systems vorhanden sein muss“, sagt Dr. Helge Feddersen, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Professor Bramkamps Arbeitsgruppe. In einer früheren Forschungsarbeit hatten Bramkamp und sein Team bereits gezeigt, dass das Min-System von B. subtilis hochdynamisch ist und sich schnell an aktive Teilungsstellen verlagern kann - und nicht wie zuvor angenommen statisch an den Zellpolen lokalisiert ist. „Wie die Min-Proteindynamik auf molekularer Ebene in B. subtilis reguliert wird und wie die Aktivierung der Zellteilung hier abläuft, wollten wir nun im Detail untersuchen“, so Dr. Feddersen, der Erstautor der aktuellen Studie.
Zellteilungsmechanismus funktioniert nicht wie bei anderen Bakterien
Das Kieler Forschungsteam untersuchte zunächst in biochemischen Experimenten, wie sich das Min-System in B. subtilis in Abwesenheit des MinE-Proteins verhält. „Anders als bei E. coli gibt es hier keine Oszillation, sondern eine Bewegung des MinD-Proteins vom Zellpol zur Zellmitte hin, wo es an die Zellmembran bindet“, betont Dr. Feddersen. „Die Frage war nun, was genau an der Zellmembran abläuft, wodurch die Zellteilung räumlich und zeitlich reguliert wird“, so Feddersen weiter. Experimentell konnten die Forschenden zeigen, dass in diesem Fall das Zellteilungsprotein MinD allein durch Membranbindung aktiviert wird. Dabei stellt die durch Membranbindung ausgelöste ATP-Hydrolyse die benötigte chemische Energie bereit, durch die der kontinuierliche Reaktionszyklus aufrechterhalten wird, der der räumlichen Musterbildung innerhalb der Bakterienzelle zugrunde liegt.
„Dieser Eigenzyklus reicht aus, um das Protein von überall in der Zelle an die Membran heranzubringen und die Musterbildung zu starten, ein anderer Aktivator wird also bei B. subtilis offenbar nicht gebraucht“, fasst Dr. Feddersen die neuen Forschungsergebnisse zusammen, zu denen auch Charlotte Dyckmans im Rahmen ihrer Bachelorarbeit in Professor Bramkamps Gruppe, und damit sehr früh in ihrer akademischen Laufbahn, beigetragen hat.
Die Daten sprechen dafür, dass die Min-Systeme auf einem evolutionär konservierten Reaktions-Diffusions-Prinzip beruhen, das ein grundlegendes physikalisches Organisationsprinzip biologischer Systeme darstellt, während MinE in E. coli eine spätere Anpassung ist, die spezifische Oszillationsdynamiken dieses Grundmechanismus ermöglicht.
Bestätigung der experimentellen Ergebnisse unter dem Mikroskop
Ein besonderer Schritt, der dem Forschungsteam als nächstes gelang, war die direkte Bestätigung der neuen Erkenntnisse: Bramkamps Arbeitsgruppe hat sich in den vergangenen Jahren durch die besondere Kombination von biochemischer Expertise und hochauflösender Mikroskopie die Fähigkeiten erarbeitet, um experimentelle Ergebnisse durch die Beobachtung im lebenden Organismus zu validieren. „Mithilfe der Einzelmolekül-Mikroskopie konnten wir so durch den Blick in die Zelle visuell nachvollziehen, wie sich das MinD-Protein dort bewegt und an der Zellmembran verhält“, erklärt Prof. Bramkamp. „Eine solche Beobachtung der Proteindynamik auf der Ebene einzelner Moleküle ist erst seit einigen Jahren mittels höchstauflösender Mikroskopie möglich und erlaubte uns hier, das Binden an die Membran und darauffolgende Loslösen quasi live nachzuvollziehen“, so Bramkamp weiter. „Nur gemeinsam ergeben Experiment und Beobachtung so den Beleg, dass diese molekulare Maschinerie in der Bakterienzelle tatsächlich so funktioniert wie ursprünglich vermutet“.
Damit birgt die Einzelmolekül-Bildgebung neben weiteren innovativen Methoden einen wichtigen Schlüssel zur Klärung zahlreicher zellbiologischer Fragen, die nicht allein durch biochemische Methoden zu beantworten sind. Mit der Kiel University Light and Electron Microscopy Bioscience Facility (KLEM), die Bramkamp an der CAU ebenfalls leitet, gibt es dafür eine hochspezialisierte Einrichtung, die diese und andere Bildgebungsverfahren auch anderen Nutzerinnen und Nutzer in Kiel zur Verfügung stellt. Damit ist an der Landesuniversität ein breites Spektrum an innovativen und hochmodernen Mikroskopie-Technologien vorhanden, das den Forschenden in zahlreichen lebenswissenschaftlichen Teilgebieten im Rahmen des CAU-Forschungsschwerpunkts Kiel Life Science (KLS) wertvolle Unterstützung bietet.
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Originalpublikation:
Helge Feddersen, Charlotte Dyckmans, Marc Bramkamp (2026): Membrane binding controls the ATPase cycle and localization of MinD in Bacillus subtilis. eLife First published: 8 June 2026
https://doi.org/10.7554/eLife.101517.4
