Michael R. Silverman und Bonnie L. Bassler werden für Entdeckungen zur bakteriellen Kommunikation mit dem Paul-Ehrlich-Preis 2021 geehrt
Bakterien sind keine Einzelkämpfer. Die Bildung eines Biofilms zum Schutz vor der Immunattacke des Wirtsorganismus oder die Synthese eines Giftstoffs zum Angriff auf den Wirt gelingen nur im Team, nicht als Einzelleistung eines individuellen Bakteriums. Die Einzeller kommunizieren daher miteinander und handeln erst dann gemeinsam, wenn sie eine Zellzahl erreicht haben, die Aussicht auf Erfolg verspricht. Die nötige Information dazu tauschen Bakterien über die von den Preisträgern entdeckten Sprachmoleküle und deren Übermittlungswege aus. Wer also gegen unerwünschte Bakterien vorgehen will, kann deren Absprachen erlauschen und gezielt durchkreuzen.
FRANKFURT am MAIN. Der mit 120.000 Euro dotierte Paul Ehrlich- und Ludwig Darmstaedter-Preis 2021 geht in diesem Jahr an die Amerikanerin Bonnie L. Bassler von der Princeton University und dem Howard Hughes Medical Institute und den Amerikaner Michael R. Silverman, Emeritus des Agouron Institute in La Jolla. Die beiden werden für ihre bahnbrechenden Entdeckungen zum „Quorum Sensing“ ausgezeichnet. Dieser Begriff bezeichnet die Strategie der bakteriellen Kommunikation. Die Preisverleihung in der Paulskirche, die traditionell am 14. März, dem Geburtstag von Paul Ehrlich, mit einem Festakt gefeiert wird, fällt in diesem Jahr wegen der Corona-Pandemie aus. Die Ehrung wird im kommenden Jahr zusammen mit den Preisträgern 2022 nachgeholt.
„Silverman und Bassler haben gezeigt, dass kollektives Verhalten nicht nur die Regel unter vielzelligen Organismen ist, sondern auch unter Bakterien“, schreibt der Stiftungsrat der Paul Ehrlich-Stiftung in seiner Begründung. „Auch Bakterien verständigen sich untereinander, belauschen sich gegenseitig, treffen Absprachen und koordinieren damit ihr Verhalten. Die allgegenwärtige Kommunikation unter Bakterien stellt eine erst durch die Preisträger erkannte Achillesferse dar, die neue Ansätze liefert, Mikroben zu bekämpfen. Statt Bakterien mit Antibiotika zu töten, können nun Substanzen entwickelt werden, die die bakterielle Kommunikation unterbinden. Die Forschung der Preisträger hat damit eine erhebliche Relevanz für die Medizin“, so der Stiftungsrat weiter.
Bakterien sind äußerst kommunikativ. Sie senden und empfangen Signale, um herauszufinden, ob sie allein oder mit vielen Artgenossen vor Ort sind. Gleichzeitig interessieren sie sich auch dafür, ob noch andere Arten anwesend sind und wer das Sagen hat: sie oder die anderen. Für diese Kommunikation wurde der Begriff Quorum Sensing geprägt. Um die Zahl an Bakterien in einer bestimmten Umgebung zu messen, sezernieren Bakterien bestimmte Sprachmoleküle, deren Konzentration mit der Anzahl der Bakterien zunimmt. Überschreitet die Konzentration einen bestimmten Schwellenwert, setzt ein gruppenspezifisches Verhalten ein, das einer Bakteriengemeinschaft neue Eigenschaften verleiht. Durch die Arbeit der Preisträger wissen wir heute, dass dieses Phänomen in der gesamten Welt der Bakterien verbreitet ist.
Silverman hat in den 1980er-Jahren das erste Quorum-Sensing-System bei dem marinen Bakterium Vibrio fischeri entdeckt. Es gelang ihm, die Information für Bildung des Sprachmoleküls Autoinducer-1 und dessen Rezeptor auf andere Bakterien zu übertragen und damit genetisch zu definieren. Vibrio fischeri sorgt mit diesem Sprachmolekül dafür, dass ein Zwergtintenfisch nachts blau-grün leuchtet und dadurch im Mondlicht keinen verräterischen Schlagschatten im flachen Meerwasser wirft. Allerdings erzeugt Vibrio fischeri dieses Licht erst bei hoher Zellzahl. Gemessen wird sie über die Freisetzung von Autoinducer-1, dessen Konzentration direkt mit der Zahl der anwesenden Bakterien in dem Leuchtorgan des Zwergtintenfischs korreliert. Wird ein bestimmter Schwellenwert erreicht – und damit ein gewisses Quorum –, machen die Moleküle kehrt, wandern zurück in die Bakterienzelle und sorgen dafür, dass das Licht angeschaltet wird und der Tintenfisch leuchtet.
Als Bonnie Bassler Anfang der 1990er-Jahre die Existenz des Quorum Sensings bei dem Bakterium Vibrio harveyi nachweisen wollte, stieß sie auf ein völlig neues Sprachmolekül, dass sie Autoinducer-2 nannte. Sie konnte zeigen, dass dieses Molekül einen anderen Nachrichtenwert hat. Es informiert nicht über das eigene Quorum, sondern über das Quorum der Konkurrenz, denn Bakterien leben selten in Reinkultur wie im Leuchtorgan des Zwergtintenfischs, sondern in Gemeinschaften wie im Darm oder auf der Haut. Der Autoinducer-2 unterrichtet die Bakterien darüber, ob andere Arten vor Ort sind und wer in der Überzahl ist. Letzteres ergibt sich aus dem Verhältnis der Autoinducer-Moleküle zueinander. Damit war gezeigt worden, dass Bakterien viele Sprachen beherrschen und sogar zwischen Freund und Feind unterscheiden können – Leistungen, die wir vom Nerven- und Immunsystem her kennen.
Heute weiß man, dass es Hunderte von Sprachmolekülen und Quorum-Sensing-Systemen gibt. Bonnie Bassler hat in den vergangenen Jahren zudem gezeigt, dass sich auch Viren und die Zellen der Wirtsorganismen in dieses allgegenwärtige bakterielle Palaver einklinken und das Quorum Sensing der Bakterien für ihre Zwecke nutzen. Sie entdeckte zum Beispiel, dass der Schleim des menschlichen Darms von den Bakterien des Mikrobioms dazu benutzt wird, ein Sprachmolekül zu bilden, das krankmachende Bakterien auf Distanz hält. Damit verbündet sich der menschliche Darm über den abgegebenen Schleim mit seinen nützlichen Bakterien im Kampf gegen schädliche oder unerwünschte Keime. Es gibt also auch eine Kommunikation über die verschiedenen Domänen des Lebens hinweg.
„Die Bedeutung der Entdeckungen der beiden Laureaten für die Mikrobiologie und Medizin ist erst kürzlich in ihrer ganzen Tragweite erkannt worden“, sagt Professor Thomas Boehm, Direktor am Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik in Freiburg und Vorsitzender des Stiftungsrates. „Erst nach Jahrzehnten zäher Forschungsarbeit und nach vielen herausragenden Publikationen waren die Kritiker davon überzeugt, dass nicht nur Vibrio fischeri und Vibro harveyi die Kunst der bakteriellen Kommunikation beherrschen, sondern wohl alle Bakterien“, so Boehm weiter. „Das hat nicht nur zu einem fundamentalen Perspektivenwechsel in der Bakteriologie geführt, sondern ebenso zu gänzlich neuen Ansätzen in der Antibiotika-Forschung“.
Kurzbiographie Professor Dr. Bonnie L. Bassler Ph.D. (58)
Bonnie Bassler ist Mikrobiologin. Sie studierte an der University of California in Davis Biochemie und promovierte an der Johns Hopkins University in Baltimore. Dem Labor von Michael Silverman am Agouron Institute in La Jolla schloss sie sich 1990 als Postdoc an. Seit 1994 ist sie an der Princeton University. Bonnie Bassler ist Mitglied der National Academy of Sciences, der National Academy of Medicine und der Royal Society. Sie ist Forscherin am Howard Hughes Medical Institute sowie Inhaberin der Squibb-Professur und Leiterin des Instituts für Molekularbiologie an der Universität Princeton. Präsident Obama berief sie für sechs Jahre ins National Science Board der Vereinigten Staaten. Sie hat über zwanzig nationale und internationale Auszeichnungen erhalten.
Kurzbiographie Professor Michael R. Silverman, Ph.D. (77)
Michael Silverman ist ebenfalls Mikrobiologe. Er studierte Chemie und Bakteriologie an der University of Nebraska in Lincoln und promovierte 1972 an der University of California in San Diego. Zwischen 1972 und 1982 machte er entscheidende Entdeckungen zur Mobilität von Bakterien und zur Chemotaxis. Ab 1982 arbeitete er bis zu seinem Ruhestand am Agouron Institute in La Jolla, dessen Mitbegründer er ist.
Elvira Mass erhält für ihre Erkenntnisse zur Organentwicklung bei der Maus den Ludwig Darmstaedter-Nachwuchspreis 2021
Die Weichen für die Gesundheit der Organe werden offensichtlich schon im frühen Embryo gestellt. Die diesjährige Nachwuchspreisträgerin hat gezeigt, dass spezialisierte Immunzellen aus dem Dottersack die Entwicklung der Organe begleiten und zeitlebens zur Gesunderhaltung beitragen. Damit bestimmen diese Zellen mit über das Funktionieren der Organe. Für Elvira Mass liegt in der eingeschränkten Funktion dieser Zellen eine mögliche Ursache für viele Erkrankungen.
FRANKFURT am MAIN. Der mit 60.000 Euro dotierte Paul Ehrlich- und Ludwig Darmstaedter-Nachwuchspreis 2021 geht an die Entwicklungsbiologin Professorin Elvira Mass vom Life and Medical Sciences Institut (LIMES) der Universität Bonn. Die Preisverleihung in der Paulskirche, die traditionell am 14. März, dem Geburtstag von Paul Ehrlich, mit einem Festakt gefeiert wird, fällt in diesem Jahr wegen der Coronavirus-Pandemie aus. Die Ehrung der Nachwuchspreisträgerin wird im kommenden Jahr zusammen mit den Preisträgern 2022 nachgeholt werden.
Damit die Organe gesund und leistungsfähig bleiben, muss das Gewebe ständig nach Auffälligkeiten durchforstet werden. Bis vor wenigen Jahren galt die Auffassung, dass diese Aufgabe von Immunzellen aus dem Knochenmark übernommen wird. Mass hat in einer Reihe eleganter Experimente gezeigt, dass diese Zellen auf Vorläuferzellen im Dottersack zurückgehen, der den Embryo bis zur Ausbildung der Placenta ernährt und dann abgebaut wird. Die Vorläuferzellen wandern aus dem Dottersack in die entstehenden Organe, begleiten deren Entwicklung und bleiben auch nach der Geburt ein Leben lang präsent. Woher sie diese Langlebigkeit nehmen, ist bislang ein Rätsel.
Bei den Immunzellen handelt es sich um sogenannte Gewebe-Makrophagen, also um Fresszellen des angeborenen Immunsystems. Ihre primäre Aufgabe besteht darin, aufzuräumen und alles zu beseitigen, was nicht zu einem gesunden Organ gehört. Allerdings produzieren sie auch Botenstoffe und schaffen Nährstoffe herbei, sodass sie auch dafür sorgen, dass Neues entsteht.
„Die besondere Leistung von Elvira Mass besteht in einem wichtigen Perspektivenwechsel beim Blick auf die Funktion von Organen“, schreibt der Stiftungsrat unter Vorsitz von Professor Thomas Boehm, Direktor am Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik in Freiburg, in seiner Begründung. „Wer sich für die Frage interessiert, wie sich Organe entwickeln und was sie gesund erhält, schaut jetzt nicht mehr nur auf das Knochenmark, sondern ebenso auf den Dottersack und damit auf eine ganz andere Population von Makrophagen. Das hat auch Konsequenzen für die Medizin, denn Organerkrankungen könnten auch auf eine Fehlfunktion der Makrophagen-Vorläuferzellen aus dem Dottersack zurückgehen“, so der Stiftungsrat weiter.
Dass dies tatsächlich der Fall ist, hat Mass für einige Organe der Maus gezeigt, zum Beispiel für das Gehirn, wo die ansässigen Makrophagen Mikroglia heißen. Der Hinweis auf eine relevante Fehlfunktion kam aus der Medizin. Es gibt eine Form von Krebs, bei dem sich die Gewebe-Makrophagen unkontrolliert vermehren und bei der die Kranken mit der Zeit Anzeichen für eine Neurodegeneration oder eine Bewegungsstörung entwickeln. Diesen als Histiozytosen bezeichneten Tumoren liegt meistens eine spezielle Mutation zugrunde. Mass hat diese Mutation bei Mäusen in die Vorläuferzellen im Dottersack geschleust und verfolgt, wie sich die Tiere entwickelten. Dabei zeigte sich, dass die mutierten Mikroglia-Zellen nicht mehr ihren angestammten Aufgaben nachgehen, sondern die Nervenzellen in ihrer Nachbarschaft attackieren und beseitigen. Das führte bei den Mäusen früher oder später zu Lähmungen und passt damit zum klinischen Bild einer Histiozytose.
Mit der ihr kürzlich zugesprochenen, begehrten Förderung des Europäischen Forschungsrates wird die Nachwuchspreisträgerin in Zukunft untersuchen, welche Umweltfaktoren die epigenetische Prägung in den Vorläuferzellen des Dottersacks derart verändern, dass sich daraus Konsequenzen für die Gesundheit der Organe ergeben. Dafür wird sie unter anderem den Einfluss von Nanoplastik-Partikeln auf die Makrophagen untersuchen. Teilchen, die kleiner als 500 Nanometer sind, gelangen über die Plazenta ins Blut des Embryos und könnten damit auch der Fürsorge-Funktion der Gewebe-Makrophagen schaden.
Kurzbiographie Professorin Dr. Elvira Mass
Elvira Mass (34) studierte Biologie an der Universität Bonn und promovierte am dortigen Life and Medical Sciences Institut (LIMES). 2014 wechselte sie in das Labor von Frederic Geissmann ans King’s College in London und folgte ihm wenige Monate später an das Memorial Sloan-Kettering Cancer Center in New York. Von dort kehrte sie 2017 als Gruppenleiterin an das LIMES-Institut der Universität Bonn zurück. 2019 wurde sie W2 Professorin für „Integrated Immunology“ an der Universität Erlangen-Nürnberg. 2020 wechselte sie auf eine W2/W3-Professur ans LIMES-Institut. Mass ist mehrfach ausgezeichnet worden. 2020 erhielt sie den Heinz Maier Leibnitz-Preis. Dies ist der bedeutendste Preis zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses in Deutschland.
Der Paul Ehrlich- und Ludwig Darmstaedter-Nachwuchspreis
Der 2006 erstmals vergebene Paul Ehrlich- und Ludwig Darmstaedter-Nachwuchspreis wird von der Paul Ehrlich-Stiftung einmal jährlich an einen in Deutschland tätigen Nachwuchswissenschaftler oder eine in Deutschland tätige Nachwuchswissenschaftlerin verliehen, und zwar für herausragende Leistungen in der biomedizinischen Forschung. Das Preisgeld von 60.000 Euro muss forschungsbezogen verwendet werden. Vorschlagsberechtigt sind Hochschullehrer und Hochschullehrerinnen sowie leitende Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen an deutschen Forschungseinrichtungen. Die Auswahl der Preisträger erfolgt durch den Stiftungsrat auf Vorschlag einer achtköpfigen Auswahlkommission.
Die Paul Ehrlich-Stiftung
Die Paul Ehrlich-Stiftung ist eine rechtlich unselbstständige Stiftung, die treuhänderisch von der Vereinigung von Freunden und Förderern der Goethe-Universität verwaltet wird. Ehrenpräsidentin der 1929 von Hedwig Ehrlich eingerichteten Stiftung ist Professorin Dr. Katja Becker, Präsidentin der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die auch die gewählten Mitglieder des Stiftungsrates und des Kuratoriums beruft. Vorsitzender des Stiftungsrates der Paul Ehrlich-Stiftung ist Professor Dr. Thomas Boehm, Direktor am Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik in Freiburg, Vorsitzender des Kuratoriums ist Professor Dr. Jochen Maas, Geschäftsführer Forschung & Entwicklung, Sanofi-Aventis Deutschland GmbH. Prof. Dr. Wilhelm Bender ist in seiner Funktion als Vorsitzender der Vereinigung von Freunden und Förderern der Goethe-Universität zugleich Mitglied des Stiftungsrates der Paul Ehrlich-Stiftung. Der Präsident der Goethe-Universität ist in dieser Funktion zugleich Mitglied des Kuratoriums.
Weitere Infos rund um den Paul-Ehrlich-Preis und ihre Preisträger /innen.