Corynebacterium matruchotii im Zahnbelag zeigt Mehrfachfission

Das mikrobielle Ökosystem, das sich in Ihrem Mund ansiedelt, liefert Forschenden ein seltenes Werkzeug, um besser zu verstehen, wie sich Bakterien vermehren.

Wie Zahnbelag als Mikrobiom organisiert ist

Im Zahnbelag gehört ein fadenförmiges Bakterium namens Corynebacterium matruchotii zu den häufigsten Bewohnern. Anders als bei den meisten Zellteilungen entstehen dabei nicht einfach zwei Tochterzellen: Diese Art teilt sich in einem ungewöhnlicheren Prozess, der als Mehrfachfission bezeichnet wird, in mehrere neue Mikroben.

Das Interesse daran wuchs, nachdem Jessica Mark Welch vom ADA Forsyth Institute und dem Marine Biological Laboratory zusammen mit Kolleginnen und Kollegen zuvor untersucht hatte, wie sich Plaque-Bakterien im Biofilm, der menschliche Zähne überzieht, räumlich organisieren. Dabei bildet das Plaque-Mikrobiom eine stachelige „Igel“-Struktur, deren Basis aus Filamenten von C. matruchotii besteht.

Mehrfachfission bei Corynebacterium matruchotii

Unter Leitung des Mikrobiologen Scott Chimileski (Marine Biological Laboratory, USA) beobachtete ein Forschungsteam einzelne C. matruchotii-Zellen dabei, wie sie sich in bis zu 14 neue Zellen aufteilten. Das ist besonders aufschlussreich, weil es Hinweise darauf liefert, wie diese Organismen ein Gerüst aufbauen, das den zahlreichen anderen Mikroben im Mundraum als Struktur und Lebensraum dient.

„Riffe haben Korallen, Wälder haben Bäume, und der Zahnbelag in unserem Mund hat Corynebacterium“, erklärt Welch.

„Die Corynebacterium-Zellen im Zahnbelag sind wie ein großer, buschiger Baum im Wald; sie schaffen eine räumliche Struktur, die für viele andere Bakterienarten um sie herum den Lebensraum bereitstellt.“

Für gewöhnlich vermehren sich Bakterien und Archaeen über einen ungeschlechtlichen Prozess namens binäre Spaltung: Das Erbgut wird verdoppelt und getrennt, danach teilt sich die Zelle, sodass aus einer zwei Organismen werden.

Beobachtung im Zeitraffer: Spitzenwachstum und gleichzeitige Septenbildung

Um zu sehen, wie die „Igel“-Strukturen neue Filamente ergänzen, setzten die Forschenden Zeitraffer-Mikroskopie ein. So konnten sie in Echtzeit verfolgen, wie die Bakterien im Mikrobiom miteinander interagieren, koexistieren, sich ausbreiten und wachsen.

Dabei zeigte sich, dass die Teilung von C. matruchotii nicht dem üblichen binären Muster entspricht, sondern deutlich produktiver ist – und zugleich auf bemerkenswerte Weise abläuft.

Zunächst verlängert sich das Filament nur an einem Ende und wird dabei wesentlich länger als eine Zelle normalerweise wäre. Dieses Wachstum erfolgt mit einer Geschwindigkeit, die fünfmal höher liegt als bei anderen, eng verwandten Corynebacterium-Arten, die in der Nase oder auf der Haut vorkommen.

Anschließend entstehen mehrere Teilungswände, sogenannte Septen, gleichzeitig. Erst danach zerfällt die Zelle in 3 bis 14 vollständig ausgebildete Tochterzellen.

Durch diesen Ablauf kann eine Kolonie von C. matruchotii sehr schnell zulegen – bis zu 0,5 Millimeter pro Tag. Das könnte mit erklären, weshalb sich Plaque innerhalb weniger Stunden erneut auf den Zähnen bemerkbar macht, egal wie gründlich man sie reinigt.

„Diese Biofilme sind wie mikroskopische Regenwälder. Die Bakterien in diesen Biofilmen interagieren, während sie wachsen und sich teilen. Wir glauben, dass der ungewöhnliche Zellzyklus von C. matruchotii dieser Art ermöglicht, diese sehr dichten Netzwerke im Kern des Biofilms zu bilden“, sagt Chimileski.

„Irgendetwas an diesem sehr dichten, konkurrenzbetonten Lebensraum des Zahnbelags könnte die Evolution dieser Wachstumsweise angetrieben haben.“

Warum fehlende Bewegung ein Vorteil werden kann

Ein weiterer Aspekt an C. matruchotii, der sein ungewöhnliches Wachstum und seine Teilung begünstigen könnte: Der Mikroorganismus besitzt keine Geißel (Flagellum), also keinen peitschenartigen Fortsatz, den viele andere Bakterien zur Fortbewegung nutzen. Weil er dadurch an Ort und Stelle gebunden ist, könnte das rasche Wachstum eine Strategie sein, die Umgebung zu „erkunden“ und Nahrungsquellen zu erreichen, so die Forschenden.

Möglicherweise verschafft ihm das einen Wettbewerbsvorteil in der dicht besiedelten bakteriellen Umgebung des menschlichen Mundes. Gleichzeitig ist ein derartiger Mechanismus bislang ohne echtes Vorbild: eine neue Art, wie Bakterien erfolgreich sein können – und das direkt in unserem eigenen Körper.

„Wir schlagen vor, dass schnelles Wachstum durch Spitzenverlängerung und gleichzeitige multiple Teilung erklären, wie C. matruchotii andere Taxa aussticht, um fadenförmige Netzwerke im Kern des Zahnbelag-Biofilms zu bilden“, schreiben die Forschenden in ihrer Arbeit.

„Unsere Ergebnisse reichen über das orale Mikrobiom hinaus und zeigen einen einzigartigen bakteriellen Zellzyklus sowie ein Beispiel dafür, wie Zellmorphologie und Fortpflanzungsstrategie die räumliche Organisation mikrobieller Gemeinschaften beeinflussen können.“

Die Ergebnisse wurden in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.