Nostoc : ein prokaryotischer Vielzeller

Nostoc ist ein filamentöses Bakterium, das 100–200Zellen lange Fäden ausbildet, die in regelmäßigen

Abständen auf die Stickstoff-Fixierung spezialisierteZellen aufweisen. Zudem können die Ketten in kurzeEinheiten, die Hormogonien, zerbrechen und als be-wegliche Filamente in eine günstigere Umgebung krie-chen. Auch führen bestimmte Umwelteinflüsse zur Bil-dung einzelliger sporenähnlicher Zellen, Akineten, dieeinen Überdauerungsstatus einnehmen. Neuere Stu-dien belegen, dass alle Zellen des Filaments miteinan-der kommunizieren und ihre Metabolite und Signal-stoffe untereinander austauschen. Neben der auffallen-den mikroskopischen Attraktivität war auch dies einGrund, weshalb die Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie in diesem Jahr Nostoc zurMikrobe des Jahres gewählt hat [1].

Die Stämme Nostoc PCC 7120 und N. punctiformeATCC 29133 sind beliebte Laborobjekte zur Erfor-schung bakterieller Zelldifferenzierung und Symbioseund einige Stämme finden immer mehr Anwendungenin Medizin und Biotechnologie. In ihnen wurden Sub-stanzen identifiziert, die gegen Viren wie HIV wirksamsind oder das Wachstum menschlicher Tumorzellen in-hibieren. Mittlerweile sind die sehr großen Genome di-verser Nostoc-Arten entschlüsselt und Werkzeuge ste-hen zur Verfügung, um die Stämme gentechnisch zuverändern. So können Enzyme, die in Nostoc natürli-cherweise nicht vorkommen, über Vektoren in die Zel-len eingeschleust werden, die dann dazu gebracht wer-den, zum Beispiel Bioethanol zu erzeugen [2].

Ein Leben von Luft und SonneNostoc betreibt wie alle anderen Cyanobakterien eineoxygene Photosynthese und kann somit seine organi-

Kernlos und doch ein Vielzeller? Cyanobakterien der GattungNostoc weisen für Bakterien einige bemerkenswerte Eigen-schaften hinsichtlich Zelldifferenzierung und -kommunika-tion aus, die ihr in 2014 den Ehrentitel „Mikrobe des Jahres“eintrugen.

Mikrobe des Jahres 2014

Nostoc: ein prokaryotischer Vielzeller IRIS MALDENER

DOI:10.1002/ biuz.201410545

304 | Biol. Unserer Zeit | 5/2014 (44) © 2014 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, WeinheimOnline-Ausgabe unter:wileyonlinelibrary.com

A B B . 1 Verschiedene Lebensweisen von Nostoc: a) Nostoccommune bildet gallertige Thalli, die bei Trockenheit zuunscheinbaren Plättchen zusammenschrumpfen. b) Inner-halb der Thalli befinden sich – umhüllt von Polysaccharid-gallerten – die langen Nostoc-Fäden. Bilder: K. Forchhammer.c) Am Sprossgrund der tropischen Pflanze Gunnera befin-den sich Nester (Pfeile) mit Nostoc punctiforme, die in Sym-biose mit diesen Pflanzen leben und ihrer Versorgung mitStickstoff dienen.

a)

b) c)

N O S T O C – M I K R O B E D E S J A H R E S | I M FO KU S

sche Substanz mit Hilfe der Sonnenenergie und Koh-lendioxid (CO2) selbst aufbauen. Als Abfallprodukt wird molekularer Sauerstoff, O2, in die Atmosphäre ab-gegeben. Die an den intrazellulären Membranen, denThylakoiden, erzeugte Energie wird zur Assimilationvon CO2 verwendet. Dieser biochemische Vorgangwurde vermutlich bereits vor 2,5 Milliarden Jahren voncyanobakteriellen Urahnen erfunden und bewirkteeine Anreicherung von O2 (ca. 20 % der Atmosphäre)auf der Erde, ohne die ein Leben wie wir es kennennicht möglich wäre. Cyanobakterien gelten als die Vor-läufer der Chloroplasten der Pflanzen, in denen eineähnliche Photosynthese stattfindet.

Neben der CO2-Assimilation besitzt Nostoc diesonst nur bei Prokaryoten bekannte Fähigkeit, den Luft-stickstoff N2, (ca. 80 % der Atmosphäre) zu fixieren undin seine zellulären Bausteine wie Proteine und Nukle-insäuren einzubauen. Nostoc lebt von Licht und Luftund ein paar Spurenelementen. Es können von Nostocaber auch organische Substanzen wie Zucker oder Ami-nosäuren und anorganische Stickstoffverbindungenwie Nitrat oder Ammonium aus der Umgebung aufge-nommen und verstoffwechselt werden. Die autotropheLebensweise ermöglicht die Besiedlung sehr nährstoff -armer Biotope, wie oligotrophe Gewässer, Felsen,Hochgebirge, usw.

Während die Photosynthese mit der CO2-Fixierungin den so genannten vegetativen Zellen abläuft, erfolgtdie Fixierung des molekularen Stickstoffs bei Nostocausschließlich in dafür speziell gebildeten Zellen, denHeterozysten, wie weiter unten beschrieben wird.

Nostoc besiedelt vielseitige Habitate Nostoc-Arten findet man in verschiedenen Habitaten,im Meer- und Süßwasser, aber auch als terrestrischeund in Symbiose lebende Formen. N. commune zeigtsich häufig in Wiesen oder an Wegesrändern, wo es imtrockenen Zustand unscheinbare dünne Blättchen bil-det, die bei Regen zu blaugrünen bis zu handtellergro-ßen gallertigen Thalli aufquellen (Abbildung 1a). In ih-nen findet man die typischen Fäden, eingebettet in dieschützende Gallerte, die sich aus Polysacchariden zu-sammensetzt (Abbildung 1b). Die so genannte Teich-pflaume wird von N. pruniforme gebildet und ist einAnzeiger für sauberes Wasser und ein intaktes Ökosys-tem. Auch hier schützt eine Schleimkapsel die langenFäden vor dem Austrocknen. Nostoc findet man als Sym-bionten in zahlreichen aquatischen und terrestrischenUmgebungen und in taxonomisch ganz unterschiedli-chen Wirten. Flechten sind in einigen Fällen Symbiosenzwischen Pilzen und Nostoc und können als Primärbe-siedler karge Regionen erobern. In ihnen bleiben dieCyanobakterien, hier Cyanobionten genannt, außerhalbder Zellen zwischen den Hyphen und liefern sowohlreduzierte N- als auch C-Verbindungen. Der Cyanobiontdient somit dem heterotrophen Pilz der Versorgung mit

Nahrung. In der Symbiose bleibt die Umgebung für denCyanobionten konstant (Wasser, pH-Wert) und derFlechtenthallus gewährleistet einen gewissen Schutzvor Umwelteinflüssen. Weitere Symbiosen werden vonCyanobakterien mit Diatomeen, Korallen, Schwämmenund einer Vielzahl weiterer Meeres- und Süßwasserbe-wohner gebildet [3].

N. punctiforme, ein terrestrisches Cyanobakterium,findet man sowohl freilebend als auch in Symbiosenmit diversen Pflanzen, zum Beispiel in kleinen Kolo-nien in den Blättern vom Hornmoos Anthocerospunctatus und von Lebermoosen wie Blasia pusilla.Bei Stickstoffmangel bilden diese Pflänzchen kleineHöhlen aus und locken Nostoc an. In höheren Pflanzen,zum Beispiel dem Palmfarn (Cycas) oder dem Mam-mutblatt (Gunnera), kann man Nostoc als Symbiont finden. In den so genannten Korallenwurzeln, bezie-hungsweise innerhalb des Gewebes am Sprossgrund inden Pflanzenzellen (Abbildung 1c) lebt Nostoc im Dun-keln und liefert Stickstoffverbindungen an den pflanz-lichen Wirt, von welchem es mit Zuckern versorgtwird, die es ohne Licht selbst nicht mehr bilden kann[4]. Auch in den Blättern des Wassefarns Azolla findetsich Nostoc als stabiler Symbiont und dient in dieserForm als Stickstoffdünger in Reisfeldern.

Der Cyanobiont erlaubt dem nicht-photosyntheti-schen Symbiosepartner die Nutzung der Sonnenener-gie über seine Photosynthese. In Pflanzen-Cyanobakte-rien-Symbiosen dient Nostoc hauptsächlich der Versor-gung mit N-Verbindungen und ermöglicht so denPflanzen, auch in stickstoffarmen Habitaten zu wach-sen. Die CO2-Fixierung spielt hier eine untergeordneteRolle. Dementsprechend bilden symbiontische Nostoc

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I N K Ü R Z E

– Nostoc betreibt wie alle anderen Cyanobakterien eine oxygene Photosynthese undkann somit seine organische Substanz mit Hilfe von Sonnenenergie und Kohlen -dioxid (CO2) selbst aufbauen.

– Neben der CO2-Assimilation besitzt Nostoc die sonst nur bei Prokaryoten bekannteFähigkeit, den Luftstickstoff N2, (ca. 80 % der Atmosphäre) zu fixieren und in seinezellulären Bausteine wie Proteine und Nukleinsäuren einzubauen.

– Neben den vegetativen Zellen findet man bei diversen Nostoc-Arten drei weitereZelltypen: die der N2-Fixierung dienenden Heterozysten, die beweglichen kurzfädi-gen Hormogonien und die sporenähnlichen Akineten als Überdauerungsstadien.

– Nostoc-Arten kommen in verschiedenen Habitaten, im Meer- und Süßwasser, aber auch als terrestrische und in Symbiose lebende Formen vor.

– In Pflanzen-Cyanobakterien-Symbiosen dient Nostoc hauptsächlich der Versorgungmit N-Verbindungen und ermöglicht so den Pflanzen, auch in stickstoffarmen Habi-taten zu wachsen.

– Die Zellen des Nostoc-Filaments kommunizieren miteinander, um die Zelldifferen-zierung und Gleitbewegungen zu koordinieren.

– Die Kommunikation erfolgt vermutlich über Nanoporen, ein siebartiges Gerüst,durch dessen Poren Multiproteinkomplexe (SepJ) ihren Weg finden, um die benach-barten Zellen zu verbinden und Stoffe auszutauschen.

– Die Urahnen von Nostoc existieren seit mehr als 2,5 Milliarden Jahren auf der Erdeund sind die Vorläufer der Chloroplasten.

massenhaft Heterozysten aus, in denen die N2-Fixie-rung abläuft. Zudem kann Nostoc dem Symbiosepart-ner vor Sonne schützende Substanzen liefern und bil-det gegen Feinde wirksame Toxine [3, 4].

Nostoc kann sich je nach Bedarf in dreiverschiedene Zelltypen differenzieren

Die erfolgreiche Besiedelung der verschiedenen Habi-tate und das Ausbilden der Symbiosen stehen in engemZusammenhang mit der Fähigkeit, verschiedene Zell-formen zu bilden. Diese für Prokaryoten bemerkens-werte Zelldifferenzierungsvorgänge sind im Detail bis-her nur teilweise verstanden. Neben den vegetativenZellen findet man bei diversen Nostoc-Arten drei wei-tere Zelltypen: die bereits erwähnten, der N2-Fixierungdienenden Heterozysten, die beweglichen kurzfädigenHormogonien und die sporenähnlichen Akineten [5].

Am besten untersucht ist die Heterozystendifferen-zierung bei dem genetisch gut zugänglichen StammNostoc PCC 7120, in dem auch zahlreiche Mutantenhergestellt und untersucht werden konnten, die einenDefekt in der Differenzierung aufweisen. Dadurch wur-den etliche Gene identifiziert, die für die Bildung undFunktion dieser spezialisierten Zellen vonnöten sind[6]. Heterozysten werden innerhalb von ein bis zwei

Generationszeiten bei mangelnder Versorgung mit ge-bundenem Stickstoff gebildet und zwar aus etwa jederzehnten vegetativen Zelle. Somit entsteht ein regelmä-ßiges Muster differenzierter Zellen im Filament (Abbil-dung 2 a, b). Die Aufgabe der Heterozysten ist es, einegeeignete Umgebung für das Enzym Nitrogenase bereitzu stellen, da dieses der N2-Fixierung dienende Proteinextrem leicht durch geringe Sauerstoffmengen irrever-sibel geschädigt wird. Dies ist um so bedeutender, alsNostoc selbst eine aerobe Umgebung durch seine Pho-tosynthese schafft.

Die Differenzierung von speziellen Zellen bedeuteteine Arbeitsteilung zwischen zwei verschiedenen Zell-typen innerhalb eines Filaments. Die vegetativen Zellen(ca. 90 % des Filaments) betreiben weiterhin Photosyn-these, die in den Heterozysten gänzlich abgeschaltetwird. Diese beginnen stattdessen mit einer stark gestei-gerten Atmungsaktivität, die zur Reduktion des O2 zuWasser führt. Die Enzyme der Atmung liegen vorwie-gend an einer an den Zellpolen neu gebildeten Mem-bran, der so genannten Honigwabenmembran (Abbil-dung 3). Aber auch für O2, das aus der Umgebungkommt, müssen die Heterozysten undurchlässig wer-den. Dies wird durch die Auflagerung zweier speziellerSchichten auf die gramnegative Zellwand erreicht: ei-ner zuerst gebildeten homogenen Schicht aus Poly-sacchariden und einer laminaren Schicht aus Glykolipi-den (Abbildung 3) [5].

Zwei wichtige Kontrollgene, ntcA und hetR, sind fürdie Initiation der Antwort auf N-Mangel und das Einlei-ten der Differenzierung unbedingt notwendig. Ersterescodiert für den globalen Stickstoffregulator NtcA, ei-nem Transkriptionsfaktor, der aktiv wird, wenn NH4

+

fehlt. NtcA bindet dann als Dimer an spezifische Pro-motorbereiche und aktiviert die Expression von für He-terozysten spezifischen Genen. In gegenseitiger Abhän-gigkeit aktiviert es früh den HeterozystenregulatorHetR, codiert vom hetR-Gen, der seine eigene Expres-sion, die von NtcA und die weiterer Gene aktiviert. Nurwenn HetR bei N-Mangel in einzelnen Zellen des Fila-ments aktiviert wird, erfolgt die NtcA-Expression [7].

In den reifen Heterozysten wird durch NitrogenaseNH4

+ gebildet, das gleich in die Aminosäure Glutamineingebaut wird. Aus diesem werden weitere Aminosäu-ren synthetisiert, die in die vegetativen Zellen des Fila-ments transportiert werden Im Gegenzug erhalten dieHeterozysten von den vegetativen Zellen den lebens-notwendigen Kohlenstoff in Form von Saccharose.Während des Wachstums teilen sich die vegetativenZellen, so dass sich der Abstand zwischen den existie-renden Heterozysten verdoppelt. Eine mittlere Zellewird sich dann zu einer Heterozyste entwickeln, sodass das Muster erhalten bleibt [7].

Hormogonien sind bewegliche kurze Filamente vonNostoc. Sie entstehen aus vegetativen Filamenten, die anden Heterozysten in kurze Einheiten zerbrechen. Die

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c)

10 µm

d)

a) b)

a) Filament von Nostoc PCC 7120 aus vegetativen Zellen und Heterozysten(Pfeilspitzen); diese entstehen bei Wachstum mit N2 als einziger Stickstoff-quelle. b) Rote Eigenfluoreszenz der photosynthetischen Pigmente des gleichenFilaments. Diese ist nur in den vegetativen Zellen zu sehen, da die Hetero-zysten diese Pigmente bei der Inaktivierung der Photosynthese abbauen.Sie erscheinen daher in der Aufnahme schwarz. c) Hormogonien von N. punctiforme, kurze bewegliche Filamente, die beiNährstoffmangel und zur Bildung von Symbiosen mit Moosen entstehen. d) Akineten, sporenähnliche Überdauerungsformen von N. punctiforme.Die Reservegranula im Inneren der Zellen wurden angefärbt. Sie werdenbei Kälte, Licht- und Nährstoffmangel gebildet. Bilder: S. Berendt (c) und R. Perez (a, b, d).

ABB. 2 NOSTOC B I L D E T J E N AC H U M W E LT B E D I N G U N G E N D R E I V E R S C H I E D E N E Z E L LT Y PE N AU S


Zellen der Hormogonien sind kleiner als die vegetativenZellen und haben eine andere Form. Die endständigenZellen laufen keilförmig aus (Abbildung 2c). Die bis auf20 Zellen reduzierten Fäden bilden nun an ihrer Ober-fläche Pili, die ihnen ein Kriechen auf dem Untergrunderlauben. Hormogonien sind ein vorübergehendes Ent-wicklungsstadium im Lebenszyklus dieser Bakterien.Nach wenigen Tagen differenzieren sie sich wieder zu-rück zu normalen Filamenten mit Heterozysten [4].

Die Funktion der Hormogonien liegt in der Mobili-tät über kurze Distanzen, die durch lange filamentöseFormen verhindert wird. Sie können eine Kolonie vonvegetativen Filamenten verlassen, um günstigere Bedin-gungen aufzusuchen. Entsprechend werden sie durchUmweltveränderungen wie Lichtmangel induziert undzeigen eine positive Phototaxis. Die Fähigkeit zur Hor-mogonienbildung bedeutet demnach für Nostoc einengewissen Selektionsvorteil, da so bessere Lebensräumeund Nischen erobert werden können [4, 5]. Induziertwird die Hormogonienbildung außerdem durch einenso genannten Hormogonien induzierenden Faktor(HIF), der von gewissen Moospflänzchen – den Sym-biosepartnern – wenn sie unter N-Mangel leiden abge-sondert wird. Haben sich die Hormogonien einmal gebildet, werden sie von einem Lockstoff der Moos-pflänzchen chemotaktisch angezogen. In den Moos-blättchen entwickeln sie sich wieder zu Filamenten ausvegetativen Zellen und Heterozysten. Ihre erneute Hor-mogonienbildung wird nun unterdrückt und sie kön-nen die Symbiose nicht mehr verlassen [4].

Akineten sind resistente, sporenähnliche Zellen, de-ren Bildung durch absinkende Temperaturen, Phos-phat- oder Lichtmangel induziert wird. Akineten sindnicht hitzeresistent, überdauern aber Trockenheit,Kälte und Dunkelheit, also die Wintermonate in unse-ren Breiten. Die Akineten von Nostoc entwickeln sichsehr langsam, über Tage bis Wochen, und machen in dieser Zeit deutliche morphologische und metaboli-sche Veränderungen durch (Abbildung 2 d). Sie sindsehr viel größer als die vegetativen Zellen und enthal-ten zahlreiche Reservestoffe, die als Cyanophycin- undGlykogengranula abgelagert werden. Um die Zellwandbildet sich eine dicke Extrahülle, die sich aus verschie-denen Schichten zusammensetzt. Im Gegensatz zu denHeterozysten bleiben die Akineten aber nicht mehr mitden Filamenten verbunden, sondern schnüren sichkomplett zu Einzelzellen ab. Atmung und Photosyn-these werden heruntergefahren. Die Reservestoffe die-nen nach Beendigung der Hungerperiode als Nahrungauskeimender kurzer Filamente. Aus diesen regenerie-ren sich rasch wieder normale Filamente, die auch He-terozysten enthalten können [4, 8].

Nostoc-Zellen kommunizieren untereinander Bei dem Wort Bakterium denkt man zunächst an indivi-duelle Stäbchen oder Kugeln, die jeder für sich herum-

schwimmen und ein einsames Leben führen. In der Tatkommunizieren Bakterien aber auf vielfältige Weisemiteinander, was häufig zu einer komplexen sozialenInteraktion führt. Besonders ausgeprägt ist die Kom-munikation zur Koordination der Zelldifferenzierungund Gleitbewegung zwischen den Zellen des Nostoc-Fi-laments.

Um die Zell-Zell-Kommunikation zu verstehen, musszunächst die Morphologie der Filamente und insbeson-dere die der Zellwand und der Septen zwischen denZellen genauer betrachtet werden (Abbildung 4). Wäh-rend bei typischen gramnegativen Einzellern die äu-ßere Membran der Zellwand die Zellen komplett um-schließt, umhüllt sie im Falle von Nostoc alle Zellen desFilaments und tritt nicht in die Zellwand des Septumszwischen den Zellen ein. Das Septum wird also nichtwie bei den einzelligen gramnegativen Bakterien durch


HM

HEP

HGL

HK

P

Heterozyste

Vegetative Zelle

b)

TM

C

a)

a) Zellen eines vegetativen Filaments. Balken: 300 nm.b) Eine endständige Heterozyste und die damit verbundene vegetativeZelle sind zu sehen. TM: Thylakoidmembran, HM: Honigwabenmembran,C: Carboxysomen, P: Polkörperchen; HEP: Polysaccharidschicht; HGL: Gly-kolipidschicht; HK: Halskanal. Balken: 300 nm.

ABB. 3 E M - D Ü N N S C H N I T T E D E R F I L A M E N T E VO N NOSTOC P C C 7 1 2 0

rbindung

mbran, tische Seite

äußere MembranSeptum

Zelle 1 Zelle 2

Nanopore

Zell-Zell-Verbindung

PG-Layer

Periplasma

Plasmamembran

A B B . 4 Modell des Septums zwischen zwei Zellen, dasdie Lage der Zell-Zell-Verbindungen und die Nanoporenzeigt, die für den Austausch von Stoffen innerhalb des Fila-ments wichtig sind.

diese Membran eingeschnürt, und die Tochterzellenbleiben zusammen. Im Filament bilden die Murein-schicht (das Peptidoglycan, „PG-Layer“) und das Peri-plasma der Zellwand ein Kontinuum. Jede einzelneZelle besitzt ihre eigene Cytoplasmamembran, teilt sichim Septum aber eine gemeinsame Mureinschicht mitder Nachbarzelle [11]. Im Mikroskop erkennt man, dassZellwandsacculi – das sind isolierte Zellwände – wiedie intakten Zellen kontinuierliche Fäden bilden undim Septum zusammenhalten (Abbildung 5b) [9, 10]. Ausmorphologischen Studien und durch Molekültrans-port-Messungen mithilfe fluoreszenter Moleküle undkonfokaler Mikroskopie (sog. FRAP-Studien; siehe Kas-ten auf Seite 309) wurde bewiesen, dass es direkte Zell-Zellkontakte im Filament gibt, über die Transportvor-gänge stattfinden [10,12]. Schon in den 1970er Jahrenwurden Strukturen im Elektronenmikroskop sichtbargemacht, die als Microplasmodesmata bezeichnet wur-den, in Analogie zu den als Plasmodesmen bezeichneteCytoplasmaverbindungen der höheren Pflanzen [13].Genauere Betrachtung dieser Strukturen führte zu demSchluss, dass sie nicht das Cytoplasma der Nachbarzel-len direkt verbinden. Die sichtbaren im Septum querverlaufenden Strukturen haben einen zu kleinenDurchmesser, um von Membranen umschlossene Cyto-solstränge zu bilden (Abbildung 5) [10, 11].

Die sichtbaren Strukturen könnten Multiprotein-komplexe darstellen, zu denen einige im Septum loka-lisierte Proteine gehören könnten. Diese wurden inNostoc beschrieben und sind für die Filamentstabilitätund den Zell-zu-Zelltransport wichtig [14]. Eines derProteine ist in der Cytoplasmamembran verankert undbesitzt große ins Periplasma reichende Bereiche, die

das Septum durchziehen können [14] (Abbildung 6a).Das Protein wurde daher SepJ, (für „septal junction“)genannt. Aber auch die Zellwand selbst, insbesonderedas Murein, scheint eine wichtige Rolle bei der Zell-Zellkommunikation zu spielen, wie kürzlich in neuerenStudien gezeigt werden konnte [9, 10, 15]. Im septalenMurein wurden dutzende so genannte Nanoporenidentifiziert, die eine siebartige Struktur im Zentrumdes Septums annehmen, „Nanopore Array“ genannt(Abbildung 5c) [10]. Eine Mutante in dem Murein ab-bauenden Enzym AmiC kann diese Nanoporen nichtbilden, was darauf hinweist, dass dieses Enzym gezielt,die 20 nm breiten Löcher in das Murein bohrt. Das Pro-tein befindet sich dementsprechend vorwiegend inden Septen (Abbildung 6b). Die AmiC-Mutante konnteauch keinen, in FRAP-Studien gemessenen, Zell-Zell-Austausch mehr durchführen. Sie kann weder lange Fä-den ausbilden, noch kann sie die verschiedenen Zellty-pen differenzieren (Abbildung 7).

Der „Nanopore Array“ bildet also ein siebartiges Ge-rüst, durch dessen Poren die Multi-Protein-Komplexeihren Weg durch das Septum finden, um die benach-barten Zellen zu verbinden. So können sie kanalartigeStrukturen erzeugen, über die ein Stofftransport, ähn-lich den Sekretionssystemen der Bakterien erfolgenkann. Nur werden über die septalen Zell-Zell-Verbin-dungen Signalstoffe und/oder Metabolite nicht nachaußen sekretiert, sondern in die Nachbarzellen ge-bracht.


Septum SSeptum

H H

KSKS ÄM

a)

b)

c)

a) Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Ultradünnschnitts durch einSeptum. Verbindungen zwischen den Zellen sind sichtbar. ÄM: äußereMembran, KS: Kommunikationsstrukturen.b) Lichtmikroskopische Aufnahme von Zellwandsacculi von Nostoc. H: Heterozyste. c) Elektronenmikroskopische Aufnahme der isolierten Zellwand von Nos-toc. Das septale Murein von Nostoc zeigt über 100 Nanoporen (Pfeil) mit einem Durchmesser von ca. 20 nm. Der kreisrunde Rand des Septums istverstärkt. Bilder (b, c): J. Lehner.

ABB. 5 KO M M U N I K AT I O N S S T R U K T U R E N I M S E P T U M

10 µm

b)

10 µm

a)

Die Aufnahmen zeigen die rote Autofluoreszenz dervegetativen Zellen und das grün fluoreszierende Pro-tein (GFP) in der Überlagerung der Aufnahmen.a) Das für die Zellkommunikation wichtige ProteinSepJ liegt im Septum zwischen den Nachbarzellen imFilament. Hier wurde das SepJ-Protein mit GFP gen-technisch fusioniert, was zur Bildung eines SepJ-Pro-teins mit fluoreszentem Marker führte. b) Die Zell -wand amidase AmiC liegt ebenfalls vorwiegend amSeptum, wo sie an der Bildung des „Nanopore Arrays“beteiligt ist. AmiC wurde hier wie SepJ mit GFP fusio-niert. Bilder: J. Bornikoel und R. Perez.

ABB. 6 LO K A L I S I E R U N G VO N S E P J U N D A M I C I N D E N S E P T E N VO N NOSTOC P C C 7 1 2 0


Die massive Veränderung der Filamentmorphologieder AmiC-Mutante von N. punctiforme zeigt, wie wich-tig die Zell-Zellkommunikation für diese Bakterien ist.Ohne die Kommunikationsstrukturen wissen die Zel-len offenbar nicht mehr, wo sie innerhalb des Filamentsliegen und an welcher Seite der sphärischen Zellen

sich die Nachbarzelle befindet. Dies führt zu falsch ein-gezogenen Septen bei der Zellteilung und einer gestör-ten Filamentmorphologie. Auch ist die Zellkommunika-tion offensichtlich wichtig für die Zelldifferenzierung,die in der Mutante unterbleibt. Auch die Mutanten inSepJ und anderen septalen Proteinen können keinefunktionstüchtigen Heterozysten mehr bilden.

Obwohl die Details der Vorgänge am Septum, die In-teraktion der beteiligten Proteine und die Struktur derZell-Zellverbindungen noch nicht verstanden sind,zeigt die derzeitige Datenlage bereits, auf welch hoherEntwicklungsstufe sich das vielzellige CyanobakteriumNostoc befindet. Diese ermöglicht letztendlich diesemautotrophen Organismus, vielfältige Habitate zu besie-deln, sich an viele Umweltbedingungen anzupassenund zahlreiche Symbiosen einzugehen. Die Urahnenvon Nostoc existieren seit mehr als 2,5 Milliarden Jah-ren auf der Erde, eine bis heute andauernde Erfolgsge-schichte bakteriellen Lebens.


a)

b)

Septum

S

1 µm

10 µm

c)

a, b) Anstelle von Filamenten bildet Nostoc ohne AmiCschiefe Teilungsebenen und folglich gebogene oderbisweilen sogar tortenstückartige Fäden. Die Zell-wände wurden zur besseren Sichtbarkeit mit FM-14gefärbt. a) Durchlicht, b) Fluoreszenz.c) Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Ultra-dünnschnittes. Eine dicke Schleimschicht (S) umgibtdie Zellverbünde. Speichergranula sind zahlreich vor-handen. Bilder: J. Lehner.

ABB. 7 M O R PH O LO G I E D E R A M I C- M U TA N T E VO N N. PUNC TIFORME U N T E R S U C H U N G D E R Z E L L- Z E L L- KO M M U N I -

K AT I O N M I T T E L S F LU O R E S Z E N Z M I K ROS KO PI E

Die Zellen von Nostoc nehmen bestimmte Moleküle aus derUmgebung auf, die durch eine biochemische Reaktion inner-halb der Zellen fluoreszent werden. Sie können in dieser Formdie Zellen dann nicht mehr über die Membran verlassen. Einsolches Molekül ist zum Beispiel das 622 Da große Calcein. Miteinem Laserstrahl kann nun im konfokalen Lasermikroskopdie Fluoreszenz einer Zelle des Filaments gebleicht werden,wodurch das Calcein völlig zerstört wird. Nun kann innerhalbvon Sekunden die Rückkehr der Fluoreszenz, also die von Cal-cein, in die gebleichte Zelle beobachtet werden (siehe Abbil-dung). Gleichzeitig misst man in den Nachbarzellen eine Ab-nahme der Calcein-Fluoreszenz. Diesen experimentellen Vor-gang nennt man FRAP für „fluorescence recovery afterphotobleaching“. Obwohl Calcein kein natives Molekül vonNostoc darstellt, zeigt diese Studie dennoch, dass kleine Stoffevon Zelle zu Zelle transportiert werden können [12].

Demonstration der Zell-Zell-Kommunikation durchdas fluoreszente Markermolekül Calcein. In FRAP-Messungen konnte gezeigt werden, dass Calcein in-nerhalb von Sekunden von einer Zelle in die andereinnerhalb eines Filaments transportiert werden kann.Pfeil: Zelle, die durch einen Laserstrahl gebleichtwurde. Bild: S. Berendt.

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SchlagworteNostoc, Cyanobakterium, Zellkommunikation, Mikrobedes Jahres

ZusammenfassungIn diesem Jahr wurde das Cyanobakterium Nostoc durch dieVAAM zur „Mikrobe des Jahres“ gekürt. Nostoc ist ein viel-zelliges Bakterium, das sich an verschiedene Umweltbedin-gungen anpassen und dementsprechend vielfältige Habi-tate besiedeln kann. Das von Licht und Luft lebende Bakte-rium kann sporenähnliche Zellen bilden, sich mithilfe vonPili fortbewegen und der N2-Fixierung dienende Heterozys-ten bilden. Diese Eigenschaften machen es zu einem belieb-ten Partner in verschiedenen Symbiosen mit Pflanzen alsauch heterotrophen Organismen. Seine autotrophe Lebens-weise als photosynthetischer Organismus und die Fähigkeitzur Differenzierung von drei verschiedenen Zelltypen mitunterschiedlicher Funktion bedeuten für Nostoc einen deut-lichen Selektionsvorteil innerhalb aquatischer und terrestri-scher Habitate. Seine Vielzelligkeit beweist es durch eineechte zelluläre Arbeitsteilung und das Auftreten von Zell-wandstrukturen, die eine Kommunikation zwischen denZellen der Filamente erlauben.

SummaryThe multicellular bacterium NostocIn 2014 the VAAM selected for the first time a “microbe ofthe year” and the winner was the cyanobacterium Nostoc.This multicellular filamentous prokaryote will be describedin this article in more detail, focusing on its adaptations tovarious environmental conditions and sophisticated cell dif-ferentiation processes. The photoautotrophic bacteriumcan live solely on air and light. Under certain conditions it isable to form spore like cells, mobile short filaments, and N2-fixing heterocysts. Hence, Nostoc is a popular partner in sev-eral symbiotic interactions with plants and heterotrophicorganisms. Its autotrophic lifestyle and the presence of dif-ferentiated cells, which show true division of labor, give Nostoc a clear selective advantage in many aquatic and ter-restrial habitats. Nostoc is a true multicellular organismhaving special cell wall structures, which connect the cellsand allow the communication between the cells of the fila-ment.

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[13] T. H. J. Giddings, L. A. Staehelin, Plasma membrane architecture ofAnabaena cylindrica: occurence of microplasmodesmata andchanges associated with heterocyst development and the cell cycle. Cytobiologie, 1978, 16, 235–249.

[14] V. Mariscal, Cell-cell joining proteins in heterocyst-forming cyano-bacteria (Hrsg.: E. Flores, A. Herrero), The Cell Biology of Cyano-bacteria. Caister Academic Press, Norfolk, UK. 2014, 293–304.

[15] S. Berendt, J. Lehner, Y. V. Zhang, T. M. Rasse, K. Forchhammer, I.Maldener, Cell wall amidase AmiC1 is required for cellular commu-nication and heterocyst development in the cyanobacterium Ana-baena PCC 7120 but not for filament integrity, J. Bacteriol. 2012,194, 5218–5227.

DanksagungMein Dank gilt meinen Kollegen und Mitarbeitern Karl Forch-hammer, Josef Lehner, Susanne Berendt, Jan Bornikol und RebecaPerez für die Bereitstellung fotographischer Aufnahmen. Meine Arbeiten werden von der DFG (SFB766, GRK1708) unterstützt.

Die AutorinI. Maldener ist seit 2007 Dozentin und wissen-schaftliche Mitarbeiterin am Institut für Mikrobio-logie/Lehrstuhl Organismische Interaktionen derUniversität Tübingen. Sie studierte Biologie in Regensburg. Seit ihrer Doktorarbeit am Lehrstuhlfür Pflanzenphysiologe und Zellbiologie forscht siehauptsächlich an der Zelldifferenzierung von Nos-toc. Molekularbiologische Techniken wurden amPlant Research Laboratory (PRL) in East Lansing,Michigan, bei einem Postdoc Aufenthalt vertieft.I.M. hat an der Uni Regensburg habilitiert, wo siebis 2006 als Dozentin und Laborleiterin tätig war.

Korrespondenz: Dr. Iris MaldenerIMITLehrstuhl für Mikrobiologie/Organismische InteraktionenUniversität TübingenAuf der Morgenstelle 2872076 TübingenE-Mail: [email protected]


Nostoc : ein prokaryotischer Vielzeller

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