Und sie bewegen sich doch

Chlamydien sind als bakterielle Krankheitserreger bekannt und verursachen jedes Jahr weltweit mehr als 100 Millionen Infektionen. Für den Menschen harmlose Arten sind jedoch auch in der Umwelt weit verbreitet. Bei der Untersuchung dieser Spezies haben MikrobiologInnen der Universität Wien um Astrid Collingro und Matthias Horn eine überraschende Entdeckung gemacht: Bestimmte marine Arten können mithilfe eines molekularen "Motors" schwimmen. Alle bislang bekannten Chlamydien galten als völlig unbeweglich.

Chlamydien sind ungewöhnliche Bakterien. Um sich zu vermehren, sind sie auf die Infektion tierischer oder menschlicher Zellen beziehungsweise auf Einzeller (Protisten) angewiesen. Dieser Lebensstil ist uralt und vermutlich bereits im Präkambrium entstanden. Im Verlauf der Evolution haben Chlamydien dabei ihr Erbgut stark verkleinert und an die ressourcenreiche Umgebung angepasst. So haben sie eine Vielzahl an Genen verloren, die für freilebende Bakterien lebensnotwendig sind.

Unbekannte Chlamydien im Meer
Die Evolution der Chlamydien lässt sich besonders gut anhand der Umweltchlamydien studieren, die beispielsweise in Amöben leben. Am Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung an der Universität Wien werden diese seit über zehn Jahren erforscht. Zuletzt mehrten sich die Hinweise auf eine Vielzahl unbekannter Entwicklungslinien im Meer. Um mehr über sie zu erfahren, verwendete das internationale Team um Matthias Horn Methoden der Einzelzellgenomik. Die ForscherInnen brachten zunächst einzelne Bakterienzellen aus Meerwasserproben in winzige Reaktionsgefäße, in denen sie anschließend weiter untersucht werden konnten.

Die Nadel im Heuhaufen
Zehntausende Bakterienzellen haben Collingro und ihre internationalen Kooperationspartner sortiert, bevor sie fündig wurden; darunter befanden sich am Ende drei Chlamydien, deren Genome vervielfältigt und schließlich sequenziert werden konnten. Diese Einzelzellgenome ("single cell amplified genomes") erlaubten erstmals Einblicke in die genetische Ausstattung und die Biologie mariner Chlamydien. Deren Analyse ergab zunächst typische Eigenschaften bekannter Arten; dann aber stießen die WissenschafterInnen auf ein völlig unerwartetes Merkmal.

Flagellen
Während alle bekannten Chlamydien aufgrund ihrer reduzierten Genome völlig unbeweglich sind, besitzen die untersuchten marinen Arten Flagellen. Das sind komplexe Strukturen, die aus einem molekularen Motor bestehen, der eine Art Geißel so antreibt, dass die Zelle sich fortbewegen kann. "Wir haben das zunächst nicht für möglich gehalten. Erst nach einer Reihe weiterer Analysen waren wir uns sicher: Wir haben es mit beweglichen Chlamydien zu tun", so Astrid Collingro, Erstautorin der Studie.

Weitere Untersuchungen zeigten, dass Flagellen tatsächlich eine ursprüngliche Eigenschaft der Chlamydien sind, die allerdings im Laufe der Evolution in den meisten Entwicklungslinien, so auch den humanpathogenen Arten, verloren gegangen ist. Im Meer aber ist Beweglichkeit möglicherweise eine Voraussetzung, um neue Wirtszellen zu finden.

So bemerkenswert diese neuen Erkenntnisse zur Anpassungsfähigkeit von Chlamydien sind, letztendlich wird es notwendig sein, marine Chlamydien auch im Labor untersuchen zu können. Um das zu erreichen, wollen sich die ForscherInnen demnächst auf die Suche nach deren natürlichen Wirten begeben. "Bisher konnten wir nur einen Bruchteil der Chlamydien untersuchen. Ich denke, diese Bakterien sind noch für einige Überraschungen gut", meint Matthias Horn, Professor am Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung, und ergänzt: "Die Untersuchung der Umweltchlamydien wird dazu beitragen, die Herkunft und Entwicklung bakterieller Krankheitserreger besser zu verstehen".

Publikation in "The ISME Journal":
Unexpected genomic features in widespread intracellular bacteria: evidence for motility of marine chlamydiae. Astrid Collingro, Stephan Köstlbacher, Marc Mussmann, Ramunas Stepanauskas, Steven J.  Hallam, Matthias Horn
DOI: 10.1038/ismej.2017.95