Bienenwolf kultiviert Antibiotika-Produzenten

20. Dezember 2011

Viele Insekten sind auf die Unterstützung von Bakterien angewiesen. Die Mikroorganismen produzieren Überlebens-Cocktails für ihre Larven, helfen beim Abbau schwer verdaulicher Kost oder liefern lebenswichtige Vitamine. Martin Kaltenpoth und sein Team vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena entlocken den Allianzen zwischen Insekt und Mikrobe teils verblüffende Details.

Text: Elke Maier

Chemische Keule gegen Schimmel: Symbiotische Bakterien auf dem Bienenwolf-Kokon produzieren neun verschiedene Antibiotika, die vor Pilzbefall schützen. Mittels bildgebender Massenspektrometrie haben die Forscher die Verteilung der Stoffe gemessen und in Falschfarben auf den Kokon projiziert.

Insekten sind die erfolgreichste aller Tiergruppen und haben fast jeden Winkel unseres Planeten erschlossen. Sie besiedeln nahezu alle Lebensräume von Wasseroberflächen bis zu Wüsten und sind auf den Gletschern des Himalajas ebenso zu Hause wie in der vermeintlich fest verschlossenen Müslitüte im Vorratsschrank.

Am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena besetzen die Krabbeltiere einen ganzen Raum voller Klimaschränke und hausen in Dutzenden von Tupperboxen. „Das sind Feuerwanzen“, sagt Martin Kaltenpoth und nimmt aus einem der beheizten Schränke eine durchsichtige Box, in der eine Schar von schwarz-rot gemusterten Insekten durcheinanderkrabbelt. Ihre Besonderheit: Vor Millionen von Jahren sind ihre Vorfahren eine Liaison mit Bakterien eingegangen.

Martin Kaltenpoth, der seit November 2009 die unabhängige Max-Planck-Forschungsgruppe „Insektensymbiose“ leitet, ist begeistert von der Vielfalt der Kerbtiere und ihrer Bündnisse mit Mikroben: „Symbiosen sind ein Schlüsselfaktor für den Erfolg der Insekten“, sagt der Wissenschaftler. „Denn sie ermöglichen es ihnen, sich an wechselnde Umweltbedingungen anzupassen und neue Nahrungsressourcen zu erschließen.“

Ein interessantes Beispiel für eine solche Zweckgemeinschaft sind die Blattschneiderameisen. Sie verwenden kleine Blattschnipsel als Substrat, um darauf unterirdische Pilzgärten als Nahrung für die Kolonie anzulegen. Um ihre sorgfältig gehegten Speisepilzkulturen zu schützen, kultivieren die Ameisen Bakterien, die verschiedene Anti-Pilz-Mittel produzieren. Diese Substanzen wirken vor allem gegen den Schadpilz Escovopsis, der als Parasit in den Pilzgärten lebt und sie ohne die chemische Keule in kurzer Zeit zerstören würde.

Andere Insekten nutzen Mikroorganismen, um Nahrungsquellen zu erschließen. Termiten etwa ernähren sich oft von Holz und nutzen die Hilfe von Symbionten im Darm für die Verdauung der Zellulose. Die blutsaugende Tsetse-Fliege, Überträger der Schlafkrankheit, wird von Mikroben mit lebenswichtigem Vitamin B versorgt, das ihr aufgrund ihrer einseitigen Kost fehlt. Auch viele andere Insekten wie Blattläuse, Zikaden und Rüsselkäfer sind auf die Lieferung bestimmter Stoffe von außen angewiesen.

„Lange Zeit galten Bakterien pauschal als Verursacher von Krankheiten“, sagt Martin Kaltenpoth. „Aber in den letzten Jahrzehnten haben Untersuchungen immer mehr Beispiele ans Licht gebracht, wie Mikroben für das Überleben ihrer Wirte sorgen können.“ Die Bakterien-Symbiose der Blattschneiderameisen etwa wurden erst 1999 entdeckt ‒ und das, obwohl die Ameisen ihre mikroskopisch kleinen Helfer in solchen Mengen mit sich herumtragen, dass sie sogar mit bloßem Auge sichtbar sind.

Live aus der Kinderstube: Eine Glasscheibe gewährt den Forschern Einblick in die unterirdischen Kammern, in denen die Bienenwolf-Larven heranwachsen.

Martin Kaltenpoth hat für die Insektensymbiosen während seiner Promotion Feuer gefangen. Als Doktorand an der Würzburger Universität untersuchte er die Pheromon-Kommunikation beim Europäischen Bienenwolf, einer Grabwespenart. Dabei stieß er Ende 2003 rein zufällig auf eine außergewöhnliche Symbiose, die ihn bis heute beschäftigt.

Ganz besonders interessiert ihn an seinem Forschungsthema, wie Symbiosen zwischen Insekten und Bakterien entstehen. Welche Vorteile bringen sie den Partnern? Und warum haben sich ausgerechnet diese Partner zusammengetan? Als Studienobjekt hat er neben dem Europäischen Bienenwolf, Philanthus triangulum, die Gemeine Feuerwanze, Pyrrhocoris apterus, auserkoren. Beide Insektenarten leben in Symbiose mit Mikroben aus der Gruppe der Actinobakterien.

Die Bienenwölfe sind am Max-Planck-Institut in Jena in einem hell erleuchteten Gewächshaus untergebracht, gleich neben Tabak, Kohl und Fleißigen Lieschen. Hier leben sie in verglasten Holzkästen, damit die Wissenschaftler ihr Treiben beobachten können. Momentan sind allerdings viele Kästen leer, denn die Saison ist fast vorbei.

Die wespenartigen Insekten sind berüchtigt für ihre ausgefallene Fortpflanzungsstrategie. Im Sommer machen die Weibchen Jagd auf Honigbienen. Haben sie eine Nektar sammelnde Arbeiterin ausgemacht, stürzen sie sich auf sie, um sie mit ihrem Gift zu lähmen und in eine selbst gegrabene Nisthöhle zu tragen. Für jedes ihrer Eier schafft ein Grabwespenweibchen bis zu fünf paralysierte Bienen heran. Nach dem Schlüpfen frisst sich die Larve an der nahrhaften Kost satt, um sich anschließend einzuspinnen und  in ihrem Kokon zu überwintern.

Leben am seidenen Faden: Eine Bienenwolf-Larve spinnt sich in ihren Kokon ein. Während der monatelangen Winterruhe ist sie ständig von Schimmel bedroht.

Eine gefährliche Zeit: „Im feuchten Klima der unterirdischen Kammer, mit den Resten der Bienen-Mahlzeit, wachsen Schimmelpilze prächtig“, sagt Tobias Engl, Postdoktorand in der Gruppe von Martin Kaltenpoth. Zehn verschiedene Pilzarten hat er während seiner Promotion an der Universität Regensburg in den Kinderstuben der Bienenwölfe nachgewiesen. Während die Larve reglos in ihrem Kokon ausharrt, läuft sie daher ständig Gefahr, zu verschimmeln. Doch Martin Kaltenpoth hat während seiner Doktorarbeit entdeckt, dass die Grabwespen eine einzigartige Strategie zum Schutz ihres Nachwuchses entwickelt haben.

Schon früher hatten Forscher beobachtet, dass die Weibchen beim Bau der Brutkammer aus speziellen Drüsen in den Antennen eine zähflüssige weiße Substanz absondern und damit eine Wand der Kammer bestreichen. „Der Anstrich dient dem frisch geschlüpften Bienenwolf zur Orientierung, um den Weg an die Oberfläche zu finden“, sagt der Max-Planck-Forscher.

Bei der Auswertung elektronenmikroskopischer Aufnahmen wurde ihm klar, dass die Substanz auch noch eine ganz andere Funktion hat. Auf den Bildern waren längliche Strukturen zu erkennen, die wie Bakterien aussahen. Martin Kaltenpoth und seine Würzburger Kollegen wurden neugierig. Mithilfe von Genanalysen machten sie sich daran, die rätselhaften Strukturen näher zu untersuchen, und wurden fündig: Wie eine Untersuchung der 16S rDNA – eine Art Identitätsnachweis für Mikroorganismen – ergab, handelte es sich tatsächlich um Bakterien, und zwar um eine bislang unbekannte Art von Streptomyzeten.

Die Verwandlung: Dank der raffinierten Imprägnierung ihres Kokons hat die Bienenwolf-Larve den Winter schadlos überstanden. Im Frühjahr schlüpft aus der Puppenhülle das fertige Insekt.

Damit begann das vielleicht spannendste Kapitel in der Bienenwolf-Forschung: „Denn Streptomyzeten sind dafür bekannt, dass viele von ihnen Antibiotika produzieren“, sagt Kaltenpoth. Sollten auch diese dazugehören? Um das herauszufinden, nahmen sich er und seine Kollegen als nächstes die Larven vor. Denn wie Beobachtungen gezeigt hatten, sucht die Larve in der Brutkammer nach der weißen Substanz und nimmt sie auf. Möglicherweise, so vermuteten die Forscher, nutzt der Bienenwolf-Nachwuchs die Antibiotika in irgendeiner Weise, um sich in seiner unterirdischen Behausung gegen Schimmelpilze zu wappnen – ähnlich wie die Blattschneiderameisen, die damit ihre subterranen Gärten schützen.

Und tatsächlich: Die Wissenschaftler wiesen nach, dass die Bakterien in großer Zahl auf der Außenseite des Larvenkokons vorkommen. Dort identifizierten sie dann auch verschiedene Antibiotika, die von den Mikroben gebildet werden. Und mithilfe eines neuen bildgebenden Massenspektrometrie-Verfahrens gelang es ihnen sogar, die Antibiotika direkt auf dem Kokon sichtbar zu machen. „Die Larven nutzen die Symbionten, um ihren Kokon zu imprägnieren“, sagt Kaltenpoth. „Dazu spinnen sie die Bakterien in die Hülle ein, und zwar so, dass sie außen sitzen und eine effektive Barriere bilden, während die Larven selbst vor möglichen Nebenwirkungen der Antibiotika bewahrt bleiben“. Die Bienenwölfe nutzen also die keimtötenden Stoffwechselprodukte der Mikroben, um ihre eigenen Nachkommen zu schützen.

Die Tiere setzen dabei auf eine Kombinationsprophylaxe: Neun verschiedene Antibiotika haben die Wissenschaftler aus dem Kokon isoliert, Streptochlorin sowie acht verschiedene Piericidine. Mithilfe von Biotests testeten sie die Wirksamkeit der Stoffe. „Der Antibiotika-Mix bekämpft ein sehr breites Spektrum von Pilzen und Bakterien“, erklärt Martin Kaltenpoth. „Mit einzelnen Substanzen wäre das nicht möglich.“

Die weiße Substanz in der Brutkammer enthält unzählige Streptomyzeten. Für die Aufnahme haben die Forscher die fadenförmigen Bakterien mit einem Fluoreszenzfarbstoff angefärbt und in Falschfarben dargestellt.

Wie wirksam der Schutz tatsächlich ist, zeigten die Forscher in einem einfachen Experiment. Dazu versperrten sie einer Gruppe von Larven in ihren Brutkammern den Zugang zu der bakterienhaltigen weißen Substanz. Das Ergebnis war eindrucksvoll. Ohne die Bakterien sank die Überlebensrate des Bienenwolf-Nachwuchses drastisch, von mehr als 80 auf unter sieben Prozent.

Doch welchen Vorteil haben die Mikroben von der Liaison? „Zum einen sind sie in der Antennendrüse geschützt und haben keine Konkurrenz“, vermutet Martin Kaltenpoth. „Da sie sich dort schnell vermehren, müssen sie aber auch Nährstoffe von ihrem Wirt bekommen“. Um das zu überprüfen, untersucht Tobias Engl, Postdoktorand in der Arbeitsgruppe, die chemische Zusammensetzung des Drüsensekrets. Er trennt dazu die verschiedenen Inhaltsstoffe mithilfe von Gas- und Flüssigchromatografie sowie über Gel-Elektrophorese auf, um sie anschließend zu identifizieren. Die Ergebnisse der Analysen stehen noch aus.

Auch auf genetischer Ebene wollen die Max-Planck-Forscher die Bienenwolf-Symbiose verstehen und herausfinden, wie das Immunsystem der Grabwespen auf die Bakterien reagiert und wie die Bakterien von ihrem Wirt beeinflusst werden. Dazu analysieren Taras Nechitaylo und Sabrina Köhler, welche Gene in beiden Partnern aktiv sind und welche Funktion sie besitzen.

In zahlreichen Plastikboxen überdauern die Bienenwolf-Puppen den Winter im Kühlschrank.

In einer kühl temperierten Klimakammer im Institutskeller nimmt Martin Kaltenpoth eine durchsichtige Kunststoffbox aus dem Regal. Darin liegen gut zwei Dutzend kleine Plastikröhrchen, in denen jeweils eine Puppe steckt. „Am Ende der Saison sammeln wir die Kokons ein und lagern sie zum Überwintern im Kühlschrank“, sagt Martin Kaltenpoth. „Im Frühjahr stellen wir sie dann warm, damit die Bienenwölfe schlüpfen.“ Beim Öffnen des Deckels steigt ein vertrauter Geruch in die Nase: „Geosmin“, sagt der Max-Planck-Forscher. Der modrig-erdige Geruch stammt von den Streptomyzeten, die in der seidenen Hülle jeder Larve sitzen. Ähnliche Mikroben kommen auch im Boden vor und sorgen für den typischen Geruch von feuchter Erde.

Im Untergrund, so vermutet Kaltenpoth, liegt wohl auch der Ursprung der ungewöhnlichen Allianz: „Wahrscheinlich haben sich zufällig einmal Streptomyzeten auf grabenden Insekten niedergelassen“, vermutet er. „Während die Bakterien von chemischen Verbindungen auf der Außenhaut der Insekten profitiert haben, kamen denen die Stoffwechselprodukte der Bakterien zugute. Da beide Partner einen Vorteil hatten, entwickelten sie sich gemeinsam weiter.“

Eine außergewöhnliche Symbiose, gepaart mit hochkomplexen Verhaltensweisen – man könnte meinen, Bienenwölfe sind das perfekte Studienobjekt für Biologen. Perfekte Labortiere sind sie allerdings nicht. Das fängt schon bei der Futterbeschaffung an: Vier Bienenstöcke stehen hinter dem Institut, um die Weibchen mit ausreichend Nahrung für die Brut zu versorgen. Für die aufwändige Pflege der Bienenvölker wurde eigens ein Imker engagiert. Und zur Hochsaison muss sich die Technische Assistentin zweimal täglich in Imkermontur werfen und mit einem umgebauten Handstaubsauger auf Bienenfang gehen.

Anspruchsvolle Labortiere: Viel Aufwand ist nötig, um die Bienenwolf-Weibchen mit genügend Nahrung für die Larven zu versorgen. Am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie stehen eigens dafür vier Bienenstöcke. Mit dem Handstaubsauger gehen die Mitarbeiter auf Bienenfang.

Die Symbionten sind ebenfalls schwierig: Sie fühlen sich scheinbar nur in der heimischen Antennendrüse oder in Obhut der Bienenwolf-Larve so richtig wohl und lassen sich im Labor bisher nicht kultivieren. Genau das wäre aber wichtig, um ihre physiologischen Fähigkeiten genauer zu untersuchen. „Während meiner Doktorarbeit war ich irgendwann ziemlich genervt von den Bienenwölfen“, gibt Martin Kaltenpoth freimütig zu.

Da kam das kleine, schwarz-rot gefleckte Insekt, dem er eines Tages auf dem Würzburger Uni-Campus begegnete, gerade recht. „Mit denen müsste man arbeiten!“ Denn Pyrrhocoris apterus, die Gemeine Feuerwanze, ist sehr genügsam und gibt sich mit etwas Wasser und ein paar trockenen Lindensamen zufrieden. Nach einer gründlichen Recherche stand das neue Studienobjekt fest und sollte fortan zum zweiten Standbein des Forschers werden.

Denn wie in der Fachliteratur zu lesen war, beherbergen die auffällig gefärbten Insekten ebenfalls symbiotische Actinobakterien, wenngleich an einem weit weniger ausgefallenen Ort als die Bienenwölfe. Bei ihnen besiedeln die Mikroben ganz profan den Verdauungstrakt. Hier allerdings kommen sie in rauen Mengen vor, wie Sailendharan Sudakaran, Doktorand in der Symbiose-Gruppe, herausfand: Bis zu einhundert Millionen der mikroskopischen Winzlinge beherbergt ein einzelnes Individuum.

Neben den Bienenwölfen erforscht das Team von Martin Kaltenpoth auch Wanzen, die in Gemeinschaft mit symbiotischen Actinobakterien leben.

Hassan Salem, Doktorand im Team von Martin Kaltenpoth, will nun herausfinden, wozu die Heerschar von Mikroben gut ist. Dazu testete er zunächst, wie die Tiere ohne ihre Symbionten zurechtkommen. Um eine Gruppe von Feuerwanzen ohne Darmbakterien aufzuziehen, sterilisierte er die Außenseite von Wanzeneiern, denn die schlüpfenden Jungtiere nehmen ihre Symbionten normalerweise von der Eioberfläche auf.

Wie er herausfand, sind die Wanzen auf ihre winzigen Darmbewohner angewiesen: Ohne Symbionten kümmerten sie vor sich hin und hatten nur eine sehr geringe Überlebensrate. Aber warum? „Wir nehmen an, dass die Bakterien den Wanzen dabei helfen, die Lindensamen zu verwerten“, sagt Hassan Salem. Denn die Samen enthalten Malvalsäure – einen Stoff, der die Fettsäuresynthese hemmt. Das macht sie für die meisten Insekten ungenießbar.

Der Forscher plant deshalb ein neues Experiment, für das er im Labor fleißig Lindensamen und Sonnenblumenkerne zerstampft. Wanzen ohne Symbionten kommen zwar mit Lindensamen nicht zurecht, dafür aber mit Sonnenblumenkernen. Aber nur deshalb, weil sie keine Malvalsäure enthalten? Um das herauszufinden, will er die Säure aus den zerkleinerten Lindensamen extrahieren und damit die Sonnenblumenkerne versetzen. „Falls die Wanzen dann mit den Sonnenblumenkernen Probleme haben, wissen wir, dass es tatsächlich an der Malvalsäure liegt“, erklärt er.

Dann können sich die Wissenschaftler daranmachen, die molekularen Mechanismen zu untersuchen und die Gene zu finden, auf die es ankommt. Ein großer Vorteil ist hierbei, dass sich die Symbionten der Feuerwanzen – im Gegensatz zu denjenigen der Bienenwölfe – auch im Labor kultivieren lassen.

Das Team um Martin Kaltenpoth hat mit seinen beiden Studienobjekten also noch viel vor. Vor Kurzem ist auch noch ein Borkenkäfer-Projekt dazugekommen. Der Kleine Holzbohrer, Xyleborinus saxesenii, könnte ebenfalls Bakteriensymbionten zum Schutz von Pilzrasen nutzen, von denen sich seine Larven ernähren. „Bisher kennen wir erst wenige solcher Verteidigungssymbiosen bei Insekten“, sagt Martin Kaltenpoth. Er ist davon überzeugt, dass in den nächsten Jahren noch viele faszinierende Lebensgemeinschaften zwischen Insekten und Mikroben ans Licht kommen werden.

Und wer weiß, vielleicht liefert das Studium solcher Gemeinschaften eines Tages sogar neue Medikamente im Kampf gegen die zunehmende Zahl resistenter Krankheitserreger? Denn auf diesem Gebiet haben uns die Insekten einiges voraus. Alexander Fleming hat vor etwas mehr als achtzig Jahren das erste Antibiotikum entdeckt. Die Bienenwölfe dagegen nutzen Antibiotika schon seit 65 Millionen Jahren.

Glossar

Grabwespen
Einzeln lebende Insekten, die nahe mit den Bienen verwandt sind. Weltweit sind rund 10000 Arten bekannt, davon leben etwa 300 in Mitteleuropa. Ausgewachsene Grabwespen ernähren sich von Blütennektar und Pollen, die Larven benötigen dagegen tierische Nahrung. Die Weibchen betreiben deshalb mehr oder weniger intensive Brutpflege und versorgen die Larven in selbst errichteten Brutkammern mit Insekten oder Spinnen, die sie zuvor durch einen Stich ihres Stachels gelähmt haben.

Actinobakterien
Als Actinobakterien wird eine artenreiche Gruppe von Mikroorganismen bezeichnet, die zu den grampositiven Bakterien mit einem hohen Gehalt an Guanin- und Cytosin-Basen im Erbgut gehören. Zur Ordnung gehören neben den Streptomyceten, die für die Antibiotika-Produktion genutzt werden, auch so wichtige Krankheitskeime wie die Tuberkulose-, Lepra- und Diphterieerreger.

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