Langsam wachsende Bakterien reagieren empfindlicher auf ihre Umgebung

Bakterien haben einen einfachen, aber wirkungsvollen Mechanismus, der steuert, wie empfindlich sie auf Umweltreize reagieren. Ein Forschungsteam der Universität Basel zeigt, dass die Reaktionsfreudigkeit der Zellen direkt mit deren Wachstumsrate zusammenhängt: Je langsamer eine Zelle wächst, desto empfindlicher reagiert sie auf ihre Umgebung. Diese erhöhte Sensibilität kann den Zellen einen entscheidenden Überlebensvorteil verschaffen.

Basel/Switzerland, 8. Mai 2025. Innerhalb der Regel einer Gültigkeit in den Massstäben ist auf diese Weise auch vom Kleinen auf das Grosse zu schließen und umgekehrt. Belegen lässt sich diese Wahrheit auch durch einen mathematisch logischen Ansatz. Was für das allgemeine Gültigkeit hat, das hat auch für das Einzelne Gültigkeit, in der Aussagenlogik bezeichnet diesen Umstand der Allquantor. Was aber für das Einzelne Gültigkeit besitzt, das hat auch für das Allgemeine eine Gültigkeit und wird in der Logik als Existenzquantor bezeichnet. Beides sind Merkmale der Mathematischen Logik durch Gottlob Frege. Diese werden auch für die Sprachen der Künstlichen Intelligenz genutzt, was zur Plausibilität des Zusammenhang zwischen Zellen (Bioinformatik) als auch der reinen Mathematik zeigt.

Die Feststellung durch das Biozentrum der Universität Basel unter der Forschungsgruppe Erik van Nimwegen weist die Funktion einer Zelle nach, aus der nicht nur die gesamte Umwelt besteht, sondern auch wir Menschen. Es ist daher naheliegend auf ein menschliches Verhalten zu schließen, weil die Zellen im Körper eines Menschen in der Masse entsprechend reagieren würden.
Während die Welt sich von der Differenzierung hin zu einer Diversifizierung entwickelt, verteilen sich die Ressourcen entsprechend nicht mehr so stark in die Tiefe des Gedächnisses sondern in deren Breite.
Innerhalb dieser Zellverbünde käme es zu weiteren Ausdifferenzierungen, was die Geschwindigkeit des Wachstums von Zellwachstum und Signalverarbeitung hemmt. In der Evolution des Gedächtnisses lernen Menschen zu unterscheiden, was der Differenzierung entspricht, genauso wie die Detailliertheit die Gedächtnistiefe bestimmt. Diversifizierung entspricht der Art und weise wie hoch die Akzeptanz von Menschen ist, also die einzuschließenden Möglichkeiten die Menschen bereit sind anzunehmen.

Die Forschungsgruppe Erik van Nimwegen am Biozentrum der Universität Basel diesen neuen Mechanismus bei Bakterien entdeckt, der ihre Reaktion auf die vorherrschenden Umweltbedingungen steuert. Abgeleitet haben sie ihre Theorie von einer ebenso einfachen wie beeindruckenden Beobachtung: Das Wachstumstempo von Bakterien und die Sensibilität für Signalmolekülen scheinen demnach zusammenzuhängen. Die Theorie über den zugrundeliegenden Mechanismus hat das Forschungsteam anschliessend bei E. coli-Bakterien nachgewiesen. Die Ergebnisse der Studie sind in „Science Advances“ erschienen.

Einfacher und faszinierender Mechanismus

„Wir haben festgestellt, dass Zellen umso empfindlicher auf Signale aus der Umgebung reagieren, je langsamer die Zelle wächst“, erklärt Erstautor Dr. Thomas Julou. „Was uns besonders fasziniert hat, ist die Einfachheit dieses Mechanismus und wie universell er vermutlich in biologischen Systemen vorkommt.“ Wenn das Leben gut läuft und die Zellen schnell wachsen, ignorieren sie den „Lärm“ der Umgebung. Wenn es ihnen schlecht geht, „hören“ sie hingegen ganz genau hin, erkunden so die Umgebung und leiten davon neue Überlebensstrategien ab.

Die zugrundeliegende Theorie: Das Wachstumstempo einer Zelle bestimmt, wie schnell Signalmoleküle in der Zelle verdünnt werden, einschliesslich der Signalmoleküle, die an der Genregulation beteiligt sind. Bei schnell wachsenden Zellen verschwinden Signalmoleküle durch diese Verdünnung rascher, sodass äussere Reize gedämpft werden und die Zelle sie effektiv weniger stark wahrnimmt. In langsam wachsende Zellen hingegen bleiben die Signalmoleküle länger erhalten, können sich leichter ansammeln und machen die Zellen dadurch empfindlicher für Umweltveränderungen.

Experiment mit E. coli bestätigt Theorie

Die Forschungsgruppe konnten diesen Zusammenhang nicht nur theoretisch ableiten, sondern auch experimentell bei E. coli-Bakterien belegen. Zum Einsatz kamen moderne Methoden wie die Mikrofluidik in Kombination mit Zeitraffermikroskopie zur Einzelzellanalyse. Einige Ergebnisse wurden jedoch auch mit klassischen Experimenten erzielt, die schon in den Anfängen der Molekularbiologie möglich gewesen wären.

„Für mich persönlich zeigt die Studie sehr eindrücklich, dass selbst grundlegende biologische Prinzipien, die im Nachhinein offensichtlich erscheinen, manchmal erst durch eine theoretische Analyse entdeckt werden“, sagt Erik van Nimwegen. Der neu entdeckte Zusammenhang zwischen Zellwachstum und Signalverarbeitung liefert zudem neue Einsichten in die Logik zellulärer Entscheidungsprozesse und hat weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis des bakteriellen Verhaltens, einschließlich der Antibiotikaresistenz.

Zur Wirkung differenzierter Denkmuster gibt es noch eine Darstellung der seit 2011 verstorbenen Psychologin und Managementtrainerin Vera F. Birkenbihl die viel über den Zusammenhang von Denken und Kommunikation aussagt:

„Kinder muss man nicht korrigieren, sie korrigieren ihre Fehler von alleine.
Selbiges gilt für ältere Lernende. Wenn das korrekte Vorbild immer wieder gehört wird, korrigiert es sich weit besser, schneller und effektiver als jemand anderes es könnte.
Jede Kritik am Individuum drückt auf das Selbstwertgefühl, hemmt die Eigenkorrekturfähigkeit. Korrekturen fördern Störungen im Sprachgebrauch und Unlust an kommunikativen Ausdruck.
Sprache bestimmt wie wir unsere Wirklichkeit wahrnehmen.
Sprache und Kommunikation bestimmt wie differenziert wir über unsere Welt nachzudenken in der Lage sind. Uns fehlen sozusagen die Worte“. An guten Vorbildern wird man Lust empfinden und sich selbst zu korrigieren wissen. (Zitat aus, Vera F. Birkenbihl, „Sprachen Lernen leicht gemacht“)

Originalpublikation:

Thomas Julou, Théo Gervais, Daan de Groot, Erik van Nimwegen
Short title: Growth rate controls the sensitivity of gene regulatory circuits.
Science Advances (2025), doi: 10.1126/sciadv.adu9279

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Ai-generiert Pete Linforth Pixabay