Wie *Corynebacterium matruchotii* den Zahnbelag mit multipler Spaltung formt

Das mikrobielle Ökosystem in Ihrem Mund liefert Forschenden ein seltenes Werkzeug, um besser zu verstehen, wie sich Bakterien vermehren.

Corynebacterium matruchotii im Zahnbelag

Zu den häufigsten Bakterien im Zahnbelag zählt das fadenförmige Bakterium Corynebacterium matruchotii. Anders als bei den meisten Zellteilungen entstehen dabei nicht zwei Tochterzellen: Es bildet mehrere neue Mikroben durch einen selteneren Vorgang, die multiple Spaltung.

Ein Forschungsteam unter Leitung des Mikrobiologen Scott Chimileski vom Marine Biological Laboratory in den USA beobachtete, wie sich einzelne Zellen von C. matruchotii in bis zu 14 neue Zellen aufteilten. Das kann erklären helfen, wie diese Organismen das Gerüst schaffen, das den zahlreichen weiteren Mikroben in unserem Mund als Grundlage dient.

„Riffe haben Korallen, Wälder haben Bäume, und der Zahnbelag in unserem Mund hat Corynebacterium“, erklärt die Mikrobiologin Jessica Mark Welch vom ADA Forsyth Institute und dem Marine Biological Laboratory.

„Die Corynebacterium-Zellen im Zahnbelag ähneln einem großen, buschigen Baum im Wald: Sie schaffen eine räumliche Struktur, die vielen anderen Bakterienarten in ihrer Umgebung einen Lebensraum bietet.“

Die meisten Bakterien und Archaeen vermehren sich über einen ungeschlechtlichen Prozess namens Zweiteilung. Zuerst wird das Erbgut aufgeteilt, anschließend teilt sich die Zelle selbst – aus einem Organismus werden zwei.

Welch und ihre Kolleginnen und Kollegen interessierten sich für die Vermehrung von C. matruchotii, nachdem sie zuvor untersucht hatten, wie sich Kolonien von Zahnbelagbakterien räumlich im Biofilm organisieren, der menschliche Zähne überzieht. Das Mikrobiom des Zahnbelags bildet eine Art stachelige „Igel“-Struktur, deren Basis aus Fäden von C. matruchotii besteht.

Multiple Spaltung und schnelles Wachstum

Um zu verfolgen, wie diese Strukturen neue Fäden bilden, setzten die Forschenden Zeitraffer-Mikroskopie ein. So konnten sie in Echtzeit beobachten, wie die Bakterien im Mikrobiom miteinander interagieren, nebeneinander existieren, sich vermehren und wachsen.

Dabei zeigte sich, dass die ungewöhnliche Zellteilung von C. matruchotii nicht der üblichen Zweiteilung entspricht, sondern weitaus produktiver abläuft – und zwar auf ausgesprochen ungewöhnliche Weise.

Zunächst verlängert sich der Faden ausschließlich an einem Ende und wird deutlich länger als die Zelle normalerweise ist. Dabei wächst er fünfmal schneller als andere, eng verwandte Corynebacterium-Arten, die in der Nase oder auf der Haut leben.

Anschließend entstehen mehrere Trennwände, sogenannte Septen, gleichzeitig. Danach zerfällt die Zelle in 3 bis 14 vollständig ausgebildete Tochterzellen.

Durch diesen ungewöhnlichen Ablauf kann eine Kolonie von C. matruchotii ausgesprochen rasch wachsen: bis zu einen halben Millimeter pro Tag. Das könnte erklären, weshalb sich Zahnbelag schon innerhalb weniger Stunden wieder auf den Zähnen bildet – unabhängig davon, wie gründlich man sie reinigt.

„Diese Biofilme sind wie mikroskopische Regenwälder. Die Bakterien in diesen Biofilmen interagieren, während sie wachsen und sich teilen. Wir glauben, dass der ungewöhnliche Zellzyklus von C. matruchotii dieser Art ermöglicht, diese sehr dichten Netzwerke im Kern des Biofilms zu bilden“, sagt Chimileski.

„Etwas an diesem sehr dichten, umkämpften Lebensraum des Zahnbelags könnte die Evolution dieser Wachstumsweise vorangetrieben haben.“

Ein weiterer bemerkenswerter Aspekt von C. matruchotii, der sein eigenartiges Wachstum und seine Teilung beeinflussen könnte, ist das Fehlen einer Geißel – jenes peitschenartigen Fortsatzes, mit dem sich andere Bakterien fortbewegen. Da das Bakterium ortsfest ist, könnte sein schnelles Wachstum laut den Forschenden dazu dienen, die Umgebung zu erschließen und Nahrungsquellen aufzuspüren.

Dies könnte dem Mikroorganismus in der bakterienreichen Umgebung des menschlichen Mundes einen Wettbewerbsvorteil verschaffen. Vergleichbares wurde bislang jedoch nicht beobachtet. Es handelt sich um eine völlig neue Art, wie Bakterien gedeihen können – und sie war die ganze Zeit über direkt in unserem Körper vorhanden.

„Wir schlagen vor, dass schnelles Wachstum durch Spitzenverlängerung und gleichzeitige multiple Teilung erklären, wie C. matruchotii andere Taxa übertrifft, um fadenförmige Netzwerke im Kern des Zahnbelag-Biofilms zu bilden“, schreiben die Forschenden in ihrer Arbeit.

„Unsere Ergebnisse reichen über das orale Mikrobiom hinaus: Sie zeigen einen einzigartigen bakteriellen Zellzyklus und ein Beispiel dafür, wie Zellmorphologie und Fortpflanzungsstrategie die räumliche Organisation mikrobieller Gemeinschaften beeinflussen können.“

Die Ergebnisse wurden in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.