Symbiotische Bakterien bilden röhrenförmige Netzwerke 

Vernetzte Membransysteme vergrößern die Bakterienoberfläche und verbessern den Nährstoffaustausch zwischen Bakterien und ihren Wirten

Auf den Punkt gebracht

• Bakterien innerhalb der Zellen: Getreidekäfer beherbergen symbiotische Bakterien in ihren Zellen – eine Beziehung, die für das Überleben der Tiere entscheidend ist.
• Architektonische Besonderheit: Die Bakterien bilden komplexe, vernetzte Membranstrukturen.
• Wichtige Ressource: Diese Membrannetzwerke vergrößern die Oberfläche erheblich, verbessern den Nährstoffaustausch mit dem Wirtsinsekt und ermöglichen es den Bakterien, effizient essenziellen Zucker zu gewinnen.

Sitophilus-Rüsselkäfer befallen Getreidekulturen wie Weizen, Reis und Mais auf Feldern und in Silos. Die Rüsselkäfer beherbergen symbiotische Bakterien, die als Sodalis pierantonius bekannt sind und in großer Zahl in spezialisierten Insektenzellen leben. Diese versorgen die Rüsselkäfer mit essentiellen Nährstoffen, die in Getreide nicht vorkommen. Diese Beziehung ist für beide Seiten vorteilhaft: Die Bakterien nutzen den bei der Verdauung entstehenden Zucker und versorgen das Insekt im Gegenzug mit essenziellen Nährstoffen wie Vitaminen und bestimmten Aminosäuren.

Obwohl die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Bedeutung dieses Austauschs erkannten, blieb der Prozess selbst unbekannt. Um diese Wechselwirkungen zu untersuchen, setzte das Forschungsteam auf Elektronenmikroskopie und eine Probenvorbereitungsmethode, die Membranen effektiver konserviert. Mithilfe dieser Methode konnten die Wissenschaftler einzigartige röhrenförmige Muster beobachten, die komplexe Membranstrukturen bilden, die von den Bakterien aufgebaut werden. Um die Architektur und Zusammensetzung dieser Strukturen zu untersuchen, entwickelten die Wissenschaftler Beobachtungs- und Analysemethoden, für die sie 3D-Mikroskopie und den Teilchenbeschleuniger SOLEIL Synchrotron verwendeten.

Tubenets

Die Analyse ergab, dass diese Strukturen ein komplexes Netzwerk aus Röhren mit einem Durchmesser von 0,02 Mikrometern (µm) und einer Länge von mehreren Mikrometern im engeren Maßstab bilden. Sie verbinden die Bakterien durch zahlreiche Verbindungen miteinander. Ähnlich wie Mikrovilli, die fingerförmigen Zellfortsätze im menschlichen Darm, die Oberfläche für die Aufnahme von Nährstoffen während der Verdauung vergrößern, vergrößern diese röhrenförmigen Strukturen die Oberfläche der Bakterien für den Austausch von Nährstoffen mit den Wirtszellen. Dadurch können die Bakterien Zucker besser aufnehmen. Im Gegenzug produzieren die Bakterien wichtige Nährstoffe für die Zelle. Das Forschungsteam nannte diese Strukturen „Tubenets“, eine Kombination aus den Wörtern „Tube“ (Röhre) und „Network“ (Netzwerk), um ihre Form widerzuspiegeln.

Obwohl Forscherinnen und Forscher Strukturen kennen, die die Oberfläche für die Nährstoffaufnahme in vielzelligen Organismen wie dem Darm oder den Wurzeln von Pflanzen vergrößern, wurde eine solche Struktur erstmals in Bakterien identifiziert. Ähnliche Strukturen könnten auch in anderen Bakterienarten existieren und diesen eine effizientere Nährstoffaufnahme ermöglichen.