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Säure für die Gesundheit

(22.12.2020) Soziale Insekten pflegen intensiven Kontakt, Infektionen können sich so schnell ausbreiten. Ameisen haben aber clevere Gegen­maßnahmen entwickelt.
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Ameisen und COVID-19 – auf den ersten Blick sieht man da eher keine Verbin­dung. Dabei sind Ameisen wie wir Menschen soziale Tiere, die in räumlicher Enge zusammen­leben und intensive Kontakte unter­einander pflegen. Wie die Ameisen verhindern, dass sich einge­schleppte Infektionen in der ganzen Kolonie ausbreiten, ist ein Forschungs­gebiet von Simon Tragust, der aktuell am Zoolo­gischen Institut der Universität Halle tätig ist, und gerade die Ergebnisse seiner Bayreuther Postdokto­randenzeit publiziert hat (eLife 9: e60287).

„Als soziale Tiere haben Ameisen vermehrte Kontakte zum Beispiel bei der Aufzucht ihrer Jungen“, erklärt der Zoologe. „Solche engen Kontakte haben aber nicht nur Vorteile, sondern auch Nachteile wie eben die Gefahr der Ausbreitung von Krank­heiten.“ Da Ameisen sich nicht nur gegen­seitig putzen und pflegen, sondern auch Nahrung unter­einander austauschen, können Bakterien und Pilze schnell von einem Tier zum anderen gelangen. Um dies zu verhindern, ergreifen Ameisen jede Menge Maßnahmen. Bereits die Organisation ihrer Kolonie trägt dazu bei, die Ausbrei­tung von Krankheiten zu unter­brechen. So haben die einzelnen Tiere spezielle Aufgaben, die zu einer Gruppen- beziehungs­weise Cluster­bildung führen. Innerhalb dieser Gruppe hat jedes Tier dann zwar viele Kontakte, aber die Gruppen sind voneinander weitgehend getrennt. „Solche Cluster spielen auch bei der Ausbreitung von COVID-19 eine Rolle“, verdeutlicht Tragust. „Wir sehen eine sogenannte Cluster­ausbreitung etwa nach dem Besuch einer Sport­veranstaltung, bei der ein Teilnehmer infiziert war.“

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Darüber hinaus zeigen Ameisen – insbesondere Arten, die Ameisen­säure bilden, wie die bei uns heimische Schwarze Wegameise (Lasius niger) oder die Wald­ameisen (Formica spp.) – bestimmte Verhaltens­weisen, um die Hygiene im Nest hochzuhalten: Sie putzen sich und Nest­genossen nicht nur rein mechanisch, sondern auch mithilfe des Gifts ihrer Giftdrüse, das zu sechzig Prozent aus Ameisen­säure besteht. Auch die soziale Isolation von Kranken kommt vor, wie Tragust erklärt: „Es ist auffällig, dass kranke Tiere vor allem außerhalb der Kolonie sterben.“ Die Tiere werden also entweder von den Nest­genossen ausge­schlossen oder verlassen das Nest sogar freiwillig, um dieses zu schützen.

Ein Dreh- und Angelpunkt bei der Körper­pflege ist die Ameisen­säure, die auch im Zentrum von Tragusts Arbeiten mit Ameisen steht. „Diese einfache organische Säure besitzt eine sehr starke antibak­terielle Wirkung“, stellt der Zoologe fest. „Viele Wald­ameisen mischen die Säure darüber hinaus mit Harz, das ebenfalls antibak­teriell wirkt.“ Daneben hat die Säure aber noch weitere Funktionen. So diente sie ursprünglich wohl haupt­sächlich als Abwehr­sekret, um Räuber wie Vögel abzu­schrecken, sowie als Kommuni­kationsmittel, insbesondere als Aggressions­pheromon.

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Magensäure kommt von außen

Bereits im Rahmen seiner Doktorarbeit bei Sylvia Cremer in Regensburg beobach­tete Tragust ein besonderes Putz­verhalten bei der invasiven Garten­ameise (Lasius neglectus). Nach der Nahrungs­aufnahme beugen die Tiere ihren Hinterleib nach vorne, senken den Kopf und putzen sich im Bereich des Acidoporus, dem Ausgang der Giftdrüse. Von den meisten Wissen­schaftlern wurde die Beobachtung als einfaches Putz­verhalten abgetan, aber Tragust konnte zeigen, dass die Ameisen während dieses Verhaltens Giftdrüsen­sekret in den Mund aufnehmen, um damit beispiels­weise ihre Brut zu desinfizieren.

Der Zufall wollte es, dass ihm auf einer Tagung Heike Feldhaar von der Universität Bayreuth erzählte, dass sie und ihre Mitarbeiter bei formicinen Ameisen – also solchen, die Ameisen­säure produzieren können – oft ein extrem saures Magenmilieu beobachten. Während bei höheren Wirbeltieren im Magen typischer­weise ein niedriger pH-Wert vorherrscht, ist das für Insekten eher ungewöhnlich. Tragust vermutete, dass formicine Ameisen ihr Gift vielleicht auch schlucken.

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Teurer pH

Zusammen mit Heike Feldhaar überprüfte er diese Theorie als Post­doktorand. „Evolutiv ist es sehr teuer, ein physiologisch saures Magenmilieu aufrecht­zuerhalten. Man vermutet deshalb, dass der niedrige pH ursprünglich dazu diente, die aufgenom­mene Nahrung zu desinfizieren. Die Verdauung hätte sich dann erst später daran angepasst“, erklärt Tragust.

Gerade bei Ameisen würde eine gezielte Ansäuerung des Magens besonderen Sinn ergeben, da sie sich gegen­seitig füttern, indem sie bereits aufgenom­mene Nahrung wieder hoch­würgen. Auch die Tatsache, dass die Ameisen das Putz­verhalten sogar nach der Aufnahme von Wasser zeigen, spricht in den Augen von Tragust gegen eine Funktion bei der Verdauung.

Aber wie misst man den pH-Wert des Magen­inhalts einer Ameise? „Das ist eigentlich ganz einfach“, schmunzelt der Ameisen­forscher. „Wenn man den Hinterleib abtrennt, lässt sich der Magen­inhalt heraus­drücken. Übersättigte Ameisen kann man sogar dazu bringen, etwas vom Mageninhalt hervor­zuwürgen. Für die Bestimmung des pH-Werts haben wir dann auf einfaches Indikator­papier zurück­gegriffen.“ Stolz fügt er hinzu: „Die meisten dieser Experimente wurden im Rahmen von hervor­ragenden Bachelor- und Master­arbeiten durchgeführt.“

Nur im Magen

Als Nahrung boten die Forscher den Ameisen Honigwasser an, das sie bereit­willig trinken. Konnten sich die Tiere danach nach Belieben putzen, sank der pH-Wert im Magen in den folgenden 48 Stunden kontinuierlich ab und stieg erst wieder, wenn neue Nahrung aufgenommen wurde. Interes­santerweise beschränkte sich das saure Milieu aber auf den Magen und breitete sich nicht auf den angrenzenden Mitteldarm aus. Dieser ist analog zum Dünndarm der Wirbeltiere der Hauptort der Verdauung und beherbergt auch das Darm­mikrobiom. Verhinderten die Wissen­schaftler, dass sich die Ameisen putzen konnten, sank der pH-Wert im Magen kaum. Damit ließ sich eine physio­logische Ansäuerung ausschließen.

Als Nächstes überprüften die Forscher, ob die Ameisen­säure einen Einfluss auf die Überlebens­wahrscheinlichkeit des insekten­pathogenen Bakteriums Serratia marcescens hat. Im Honigwasser, dessen pH von 5 mithilfe von Ameisen­säure auf 4 gesenkt wurde, überlebten tatsächlich signifikant weniger Bakterien. Im nächsten Schritt verfütterten die Experi­mentatoren die Bakterien mit dem Honigwasser an die Ameisen. „Wir wollten unter­suchen, wie viele der Bakterien wir anschließend wieder aus dem Verdau­ungstrakt zurück­gewinnen konnten“, erklärt Tragust. „Schon vier Stunden nach der Nahrungs­aufnahme hatten kaum noch Bakterien im Magen überlebt. Im Mitteldarm kamen sogar überhaupt keine Bakterien an.“ Damit war schon einmal gezeigt, dass die Säure tatsächlich die Bakterien­last der Nahrung verringern kann.

Nur die Nützlichen überleben

Um zu untersuchen, ob das gleichzeitig auch den Ameisen half, wurden diese wiederum mit Honigwasser mit und ohne Bakterien gefüttert. Zusätzlich wurde aber jetzt ein Teil der Ameisen daran gehindert, Ameisen­säure aufzunehmen. Während Ameisen, die sich putzen durften, trotz Bakterien­aufnahme genauso gut überlebten wie die Ameisen, die nicht-kontami­niertes Honigwasser erhalten hatten, starben Ameisen, die sich nicht putzen durften und konta­minierte Nahrung erhielten, deutlich häufiger. Aber nicht nur die Ameisen selbst, sondern auch Ameisen, die von ihnen gefüttert wurden, profitierten von der Ameisen­säure. So starben Ameisen, die kontami­nierte Nahrung von Spendern erhalten hatten und sich zuvor nicht hatten putzen dürfen, doppelt so häufig wie Ameisen, deren Spender zuvor Ameisen­säure hatten aufnehmen können.

Abschließend stellten sich die Wissen­schaftler die Frage, wie sich die Säure auf nützliche Bakterien im Darm der Ameisen auswirkt. „Das Darm­mikrobiom von Ameisen­säure produ­zierenden Ameisen ist nicht sehr vielfältig“, weiß Tragust. „Man findet aber immer wieder Vertreter der Aceto­bacteraceae, die auch in zucker­haltigen Lösungen wie Nektar oder vergorenen Früchten vorkommen. Warum das so ist, meinen wir jetzt mit unseren Ergebnissen erklären zu können.“ Denn Asaia-Arten, die zur Familie der Aceto­bacteraceae gehören, konnten in Honigwasser mit Ameisen­säure auch bei pH 3 noch problemlos überleben und wurden im sauren Magen­milieu nur langsam weniger. Gleichzeitig nahm ihre Zahl im Mitteldarm in der Zeit nach der Aufnahme von Nahrung und Ameisen­säure sogar zu. „Wir glauben deshalb, dass die Ameisen­säure eine Art chemischer Filter ist, der pathogene Bakterien aus kontami­nierter Nahrung abtötet, nützlichen Bakterien wie den Aceto­bacteraceae aber nichts anhaben kann“, fasst Tragust zusammen.

Bereits 2017 ist der Ameisen­forscher von Bayreuth nach Halle umgezogen und forscht in der Gruppe von Robert Paxton auch an anderen sozialen Insekten wie Bienen. „Insgesamt interessiere ich mich für die Inter­aktion von Tieren und Mikro­organismen, einerlei ob es sich dabei um Pathogene oder Symbionten handelt“, sagt er. Soziale Insekten mit ihren hohen Anfor­derungen an Körper­hygiene sind dafür ausge­zeichnete Studienobjekte.

Larissa Tetsch

Bild: MLU/S. Tragust

Dieser Artikel erschien zuerst in der Print-Ausgabe von Laborjournal (Heft 12-2020). Dort werden zwei weitere Arbeitsgruppen vorgestellt, die sich mit klebenden Zellen und bakteriellen Dirigenten beschäftigen.

 



Letzte Änderungen: 22.12.2020

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