Vibrio fischeri

Vibrio fischeri wurde 1889 von Martinus Willem Beijerinck entdeckt und ist ein gramnegatives Bakterium, das in den Meeren der Welt lebt. Es lebt fakultativ anaerob und hat Flagellen, mit deren Hilfe es zur Fortbewegung befähigt ist. Ferner ist es biolumineszent und lebt häufig in Symbiose mit anderen Lebewesen. Sein Genom wurde komplett sequenziert.

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Vorkommen

V. fischeri kommt in geringen Konzentrationen in allen Weltmeeren vor, jedoch besonders verbreitet in Symbiose mit anderen Meereslebewesen wie zum Beispiel Heringen oder Kalmaren. Am Beispiel des Tintenfisches E. scolopes lässt sich eine Facette möglicher Symbiosen gut aufzeigen: E. scolopes bewohnt nur wenig tiefe Gewässer vor Hawaii und jagt dort nachts. Schnell würde er in dem seichten Wasser selbst zur Beute von Räubern, da er auf der vom Mond hell erleuchteten Wasseroberfläche einen dunklen, rasch wahrnehmbaren Fleck hinterließe. Doch durch seine Symbionten emittiert er selbst Licht und erzeugt eine homogen erleuchtete Fläche, von der er sich nicht abhebt, sich also nahezu perfekt tarnt.

Biolumineszenz

V. fischeri hat sich zu einem Modellorganismus für die Biolumineszenz entwickelt. Die Biolumineszenz wird bei V. fischeri durch die mit Luciferase katalysierte Oxidation von Luciferin zu Oxyluciferin hervorgerufen. Der Wellenlängenpeak des emittierten Lichtes liegt bei 490 nm. Das entspricht dem blau-grünen Bereich des Lichtspektrums.

Dennoch: Freilebende Zellen, also solche, die außerhalb von Leuchtorganen einiger Symbionten (bspw. der vor Hawaii vorkommende Kopffüßer Euprymna scolopes) und außerhalb anderer dichter Ansammlungen existieren, leuchten nicht. Zurückzuführen ist diese Beobachtung auf einen zelldichtenabhängigen Regulationsmechanismus der Biolumineszenz von V. fischeri. Um den mit einer Biolumineszenz einhergehenden Energieaufwand möglichst gering zu halten, lässt dieser Kontrollmechanismus nur eine biolumineszente Aktivität zu, wenn dieselbe für das Überleben des Symbionten auch erforderlich ist, also V. fischeri in Leuchtorganen vorkommt. Ermöglicht wird diese Regulation durch Genprodukte des lux-Operons. Auf diesem sind nicht nur die zur Synthese der zur Biolumineszenz notwendigen Proteine codiert, sondern auch die Informationen zur Herstellung eines Enzyms, der Autoinduktor-Synthetase, sowie eines Apoaktivators. Im Cytoplasma werden von der Autoinduktor-Synthetase laufend Autoinduktormoleküle aufgebaut, die durch die Zellwand hindurch in die Extrazellularflüssigkeit diffundieren. Im Meerwasser werden sie dermaßen stark verdünnt, dass ein signifikante Konzentrationsanstieg nicht messbar ist. Sobald aber V. fischeri in einem Leuchtorgan in höherer Zellzahl vorkommt, steigt die Konzentration der Autoinduktormoleküle deutlich. Da diese Moleküle die Zellwände der Bakterien relativ leicht passieren können, gelangen sie auch vermehrt in benachbarte Zellen - die freilich ebenfalls Autoinduktormoleküle herstellen. Insgesamt steigt also auch die Konzentration dieser Moleküle innerhalb der Zellen, wo sie eine Verbindung mit den Apoaktivator-Molekülen eingehen. Dieser Komplex besetzt den Operator des lux-Operons und steigert die Transkriptionsrate der auf ihn folgenden Gene dramatisch: Es werden einerseits alle zur Biolumineszenz notwendigen Proteine vermehrt synthetisiert, andererseits kommt es auch zu einer deutlich vermehrten Transkription und Translation der Informationen zum Aufbau der Autoinduktor-Synthetasen und der Apoaktivatoren. Dieser Quorum sensing genannte Regulationsmechanismus führt zu einer "Aktivierung" der Biolumineszenz in einem Zelldichtenbereich von ca. 10¹⁰ bis 10¹¹ Zellen/ml - Konzentrationen also, die in den Leuchtorganen von Kalmaren oder Fischen nachweisbar sind.

Toxizität

Bei V. fischeri wurde auch die Produktion von Tetrodotoxin (TTX), ein starkes Nervengift, nachgewiesen. So wurde V. fischeri bei der Olivgrünen Steinkrabbe (Atergatis floridus) gefunden, welche ein bekannter Träger dieses Gifts ist.

Verwendung

V. fischeri findet bei der Untersuchung der Wasserqualität Anwendung. Nach EN ISO 11348 werden Abwasserproben mit NaCl versetzt, anschließend mit einer geringen Konzentration Leuchtbakterien beimpft und deren Leuchtintensität gemessen. Nach 30 min Inkubation bei 15°C wird die Messung der Leuchtintensität wiederholt. Die Differenz der Leuchtstärke gibt Aufschluss über die Wasserqualität, da die Leuchtbakterien ihre Vermehrungsrate und Leuchtstärke der Wasserqualität anpassen.

Literatur

Simidu U, Noguchi T, Hwang D F, Shida Y, Hashimoto K.: Marine bacteria which produce tetrodotoxin - Applied and Environmental Microbiology. 1987;53 S: 1714–1715