Aufgabe 2–4 - Genregulation und Quorum Sensing · Abitur NRW Biologie LK · Quorum Sensing 2026

Genaktivität bei Bakterien

Wie Eukaryoten müssen auch Bakterien ihre Genaktivität als Antwort auf innere und äußere Signale regulieren. Dies geschieht auch im Zusammenhang mit der Wahrnehmung von anderen Zellen der eigenen Art. Das Verständnis dieses Zusammenhanges auf molekularer Ebene könnte die Basis für die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze gegen bakterielle Infektionen sein.

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Erläutern Sie mit Hilfe von Material 2 die Beeinflussung der Genaktivität durch die Zelldichte bei Bakterien (M 2). [12 BE]

Material 2: Quorum Sensing bei Bakterien

Als Quorum Sensing bezeichnet man einen Mechanismus, mit dem Bakterienzellen die Populationsdichte ihrer eigenen Art wahrnehmen können. Dies erfolgt mithilfe von Signalmolekülen, sogenannten Autoinduktoren, wie z. B. dem Signalmolekül AHL. Autoinduktoren werden von den Bakterienzellen kontinuierlich produziert und diffundieren aus der Zelle heraus. Sie werden von Bakterienzellen in näherer Umgebung sowie denselben Zellen wieder aufgenommen. In der frühen Wachstumsphase einer Bakterienkolonie ist die extrazelluläre Konzentration von Autoinduktoren zunächst gering (Abb. 2). Ab einer bestimmten Zelldichte wird eine ausreichend hohe Schwellenkonzentration (Quorum) der Autoinduktoren erreicht, die eine Änderung der Aktivität bestimmter Gene bewirken kann (Abb. 3).

Die Produkte dieser Gene sind u. a. verschiedene Pathogenitätsfaktoren. Diese Pathogenitätsfaktoren ermöglichen es bei ausreichender Menge, die Eigenschaften einer Bakterienkolonie so zu verändern, dass innerhalb des Wirtes neue Lebensräume erschlossen oder Abwehrreaktionen des Immunsystems umgangen werden können. Dies kann bei dem Wirt, wie z. B. dem Menschen, Krankheitssymptome auslösen.

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Vergleichen Sie die therapeutischen Ansätze zur Bekämpfung pathogener Bakterienarten in Material 3 anhand von drei Kriterien tabellarisch (M 2, M 3). [8 BE]

Material 3: Therapeutische Ansätze zur Bekämpfung pathogener Bakterien

Bei der Bekämpfung pathogener Bakterien kommen seit vielen Jahrzehnten Antibiotika zum Einsatz. Diese Substanzen töten Bakterien ab oder hemmen ihr Wachstum. Auf Bakterienzellen wirken Antibiotika, indem sie den Proteinstoffwechsel stören, den Aufbau der Zellwand oder die DNA-Replikation hemmen. Meist sind diese Substanzen bei Bakterien mit ähnlichen Eigenschaften wirksam. Daher kommt es bei der therapeutischen Anwendung von Antibiotika beim Menschen zum Teil zur Schädigung nützlicher Bakterien, wie z. B. Darmbakterien.

Ein anderer, aktueller therapeutischer Ansatz könnte darin bestehen, den Mechanismus des Quorum Sensing zu stören – was als Quorum Quenching (von engl. to quench – dt. löschen) bezeichnet wird. An diesem Prozess könnten Proteine oder andere chemische Komponenten beteiligt sein, die auf unterschiedliche Weise das Quorum Sensing der Bakterien hemmen.

Kriterium · Antibiotika · Quorum Quenching

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Werten Sie die in Material 4 beschriebenen Ergebnisse der Experimente im Hinblick auf einen therapeutischen Nutzen des Proteins MomL bei Mukoviszidose aus (M 2, M 4). [8 BE]

Stellen Sie zwei Hypothesen zur Wirkungsweise des Proteins MomL auf (M 2, M 4). [6 BE]

Material 4: Quorum Sensing von Pseudomonas aeruginosa bei Mukoviszidose

Mukoviszidose ist eine genetisch bedingte Stoffwechselerkrankung. Die Betroffenen leiden u. a. unter zähflüssigem Schleim in den Atemwegen, der insbesondere die Lungenfunktion beeinträchtigt. Dies führt zu Atemschwierigkeiten bis hin zu Atemnot.

Bei Betroffenen der Mukoviszidose können häufig sowohl Bakterien der Art Pseudomonas aeruginosa als auch der Stoff Pyocyanin in den Sekreten der Atemwege nachgewiesen werden. Die Bakterien können den zähflüssigen Schleim als Nährboden nutzen und mit Hilfe von Quorum Sensing den Pathogenitätsfaktor Pyocyanin produzieren. Pyocyanin beeinträchtigt das Immunsystem und schwächt die Lungenfunktion. Bei der Therapie von Mukoviszidose werden daher Antibiotika verabreicht, um Infektionen mit P. aeruginosa zu bekämpfen oder vorzubeugen.

Auf der Suche nach alternativen Therapiemöglichkeiten wurde untersucht, inwiefern das von Wissenschaftlern neu entdeckte Protein MomL das Quorum Sensing von P. aeruginosa hemmen kann. Dazu wurde P. aeruginosa in Abwesenheit und in Anwesenheit des Proteins MomL kultiviert. Anschließend wurden sowohl die Menge des Autoinduktors AHL (Abb. 4) als auch die Menge an Pyocyanin bestimmt (Abb. 5).