Bacillus subtilis
Medizinische Expertise: Dr. med. NonnenmacherQualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer. nat. Frank Meyer
Letzte Aktualisierung am: 1. September 2026Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.
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Beim Bacillus subtilis handelt es sich um einen Einzeller, der in der Natur vor allem in der obersten Erdschicht vorkommt. Die Pharmazie nutzt Bacillus subtilis unter anderem zur Gewinnung von Antibiotika, die früher zum Beispiel bei Gonorrhoe eingesetzt wurden.
Was ist das Bacillus subtilis?
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Der Bacillus subtilis ist auch als Heubazillus bekannt. Christian Gottfried Ehrenberg beschrieb den Einzeller bereits 1835. Das Bakterium ist stäbchenförmig und bewegt sich mithilfe zahlreicher über die ganze Zelle verteilter Geißeln fort. Der Einzeller dreht die fadenförmigen Geißeln zur Fortbewegung wie einen Propeller.
Bacillus subtilis wächst vor allem unter Sauerstoff; sein Stoffwechsel ist darauf ausgerichtet. Die Biologie kennt heute drei Unterarten mit unterschiedlichen Eigenschaften. Darüber hinaus gehört Bacillus subtilis zu den Endosporenbildern. Bei einer Endospore handelt es sich um eine Kapsel-Form, in der ein Bakterium ungünstige Lebensbedingungen überdauern kann. Die Spore bildet sich dabei innerhalb des Einzellers. Beim Bacillus subtilis löst Nahrungsmangel die Bildung der Endospore aus. Das Bakterium ist heterotroph und muss Nährstoffe aufnehmen, die von anderen Lebewesen produziert wurden.
Als Indikator für Nahrungsknappheit dient die abnehmende Verfügbarkeit von Guanin. Der Guaninmangel löst eine biochemische Reaktion im Bakterium aus. Die Zellwand teilt sich innerhalb des Bakteriums und bildet eine Blase im Zellkörper. Darin eingekapselt kann der Einzeller ungünstige Umweltbedingungen überleben. Sporen sind besonders widerstandsfähig gegenüber Kälte, Hitze, säure- oder basenlastigen Bedingungen, Trockenheit und Strahlung. Wenn die Lebensumstände für das Bacillus subtilis wieder günstiger werden, aktiviert sich die Spore und bei der anschließenden Keimung setzt sich der Stoffwechsel allmählich wieder in Gang. Abschließend entwächst das Bacillus subtilis seiner schützenden Hülle und kann sich nun wieder ungestört bewegen und fortpflanzen.
Vorkommen, Verbreitung & Eigenschaften
Als Endosporenbilder kann der Bacillus subtilis auch längere Hunger- und Trockenperioden überstehen, indem er sich in eine Kapsel zurückzieht. Am besten vermehrt sich das Bakterium bei Temperaturen um 30 bis 40 °C. Unter günstigen Bedingungen und bei ausreichender Sauerstoffversorgung teilt es sich etwa alle halbe Stunde.
Für seine Ernährung ist der Bacillus subtilis auf andere Lebewesen angewiesen, die im Boden vorkommen. Deshalb befindet es sich nicht nur in der obersten Erdschicht, wo es besonders viele Nährstoffe finden kann. Bacillus subtilis fühlt sich auch in der direkten Umgebung lebender Wurzeln – in der Rhizosphäre – wohl. Als Hauptnahrung bevorzugt es Glukose (Traubenzucker), die Pflanzen mittels Photosynthese herstellen. Der Bacillus subtilis spaltet auch Stärke, die aus langen Ketten mit vielen Zuckermolekülen besteht. In dieser zerkleinerten Form kann der Mikro-Organismus die Glukose verarbeiten.
Bedeutung & Funktion
Bacillus subtilis kommt im menschlichen Körper prinzipiell nicht vor und hat dadurch nur eine indirekte Wirkung auf die Gesundheit. Der Einzeller ist für gesunde Menschen ungefährlich. Im Gegensatz zu anderen Bakterien löst Bacillus subtilis nur selten Krankheiten aus und kann sogar bei der Bekämpfung von bakteriellen Infektionen helfen. Nicht alle Stämme von Bacillus subtilis können jedoch Antibiotika synthetisieren. Als Bestandteil probiotischer Präparate kann das Bakterium den Darm allerdings vorübergehend besiedeln. Bei Menschen mit stark geschwächtem Immunsystem sind in seltenen Fällen Infektionen durch Bacillus subtilis beschrieben worden.
Bacillus subtilis bildet zum Beispiel Bacitracin (seltener: Bazitrazin), das Mediziner bereits 1945 als Antibiotikum einsetzten. Der Wirkmechanismus basiert bei diesem Medikament darauf, dass Bacitracin das Wachstum anderer Bakterien hemmt, die potenziell schädlich sind. Bacitracin stört dabei die Synthese der Zellwände. Die Zellwand stabilisiert und schützt die Zellen von Bakterien, Pflanzen, Pilzen und einigen Einzellern. Die Körperzellen des Menschen hingegen besitzen keine Zellwand, da sie zu den tierischen Zellen zählen. Dementsprechend hat die hemmende Wirkung von Bacitracin auf die Zellwandsynthese für menschliche Zellen keine Bedeutung.
Krankheiten & Beschwerden
Diese sexuell übertragbare Krankheit ist im Volksmund auch als Tripper bekannt und kommt häufig vor. Gonorrhoe zählt weltweit zu den häufigsten sexuell übertragbaren Infektionen. Die Infektion mit Gonokokken ruft bei Frauen häufig keine Symptome hervor. Wenn sich die Infektion jedoch sichtbar manifestiert, gehören Ausfluss und Schmerzen beim Urinieren zu den charakteristischen Anzeichen. Darüber hinaus sondert in manchen Fällen die Harnröhre eitriges Sekret ab.
Wenn die Gonokokken sich bei Frauen über die Gebärmutter weiter ins Körperinnere ausbreiten, tritt unter Umständen eine Adnexitis auf. Dabei handelt es sich um eine Entzündung der Anhangsgebilde (Adnexe). In der Regel sind Eileiter und Eierstöcke davon betroffen. Im Extremfall kann dies in einer Unfruchtbarkeit enden. Des Weiteren besteht das Risiko eines Abortes, wenn die Fruchtblase ebenfalls von der Entzündung betroffen ist.
Bei Männern äußert sich Gonorrhoe in einer Schleimhautentzündung der Harnröhre (Urethritis), die Eiter absondert und Schmerzen verursacht. Auch bei Männern kann die Infektion aufsteigen, was eventuell zu einer Entzündung der Prostata (Prostatitis) oder einer Entzündung des Nebenhodens (Epididymitis) führt. Dabei besteht ebenfalls das Risiko, unfruchtbar zu werden.
Systematik und Namensgeschichte
Christian Gottfried Ehrenberg ordnete den Einzeller bei seiner Erstbeschreibung noch einer anderen Gattung zu; den heute gültigen Namen erhielt er erst, als der Breslauer Botaniker Ferdinand Cohn im 19. Jahrhundert die Gattung Bacillus aufstellte und ihm darin einen Platz zuwies. Bis heute gilt die Art als der Typvertreter dieser Gattung, an dem sich die Beschreibung aller weiteren Arten orientiert. Eingeordnet wird sie in die Familie der Bacillaceae, die Ordnung Bacillales und die Klasse der Bacilli innerhalb einer großen Abteilung grampositiver Bakterien mit niedrigem Anteil der Erbgutbausteine Guanin und Cytosin; diese Abteilung wurde lange als Firmicutes bezeichnet und trägt in der neueren Nomenklatur den Namen Bacillota.
Der volkstümliche Name Heubazillus verweist auf die Art, wie das Bakterium früher gewonnen wurde. Übergießt man Heu mit Wasser und kocht den Aufguss auf, so überstehen die Sporen des Bakteriums das Abkochen, während die meisten anderen Keime absterben. Im anschließend stehen gelassenen Aufguss keimen sie aus und bilden an der Oberfläche eine Haut. Dieser einfache Versuch machte die Art im 19. Jahrhundert zu einem beliebten Untersuchungsobjekt und trug wesentlich dazu bei, dass die Sporenbildung überhaupt entdeckt wurde.
Bacillus subtilis steht im Zentrum einer Gruppe eng verwandter und einander sehr ähnlicher Arten, zu der unter anderem Bacillus licheniformis, Bacillus amyloliquefaciens und Bacillus pumilus gehören. Diese Arten sind mit den klassischen Untersuchungen im Labor nur schwer auseinanderzuhalten und werden heute überwiegend anhand ihres Erbmaterials unterschieden; ältere Literatur führt manche von ihnen deshalb noch unter dem Namen Bacillus subtilis. Deutlich abzugrenzen ist die Gruppe von der Verwandtschaft um Bacillus cereus, zu der auch der Milzbranderreger zählt und in der im Gegensatz zu Bacillus subtilis mehrere krankmachende Arten stehen.
Bau der Zelle und Erbmaterial
Die Zellwand besteht aus einer dicken Lage Murein, einem Netz aus Zuckerketten und Aminosäuren, in das lange geladene Ketten aus Teichonsäuren eingelagert sind. Diese kräftige Wand ist der Grund dafür, dass sich das Bakterium in der Gram-Färbung blau anfärbt; eine zusätzliche äußere Membran, wie sie andere Bakteriengruppen besitzen, fehlt ihm. Unter der Wand liegt die Zellmembran, die den Stoffaustausch mit der Umgebung regelt und die Enzyme der Energiegewinnung trägt.
Die Bewegung erfolgt mithilfe fadenförmiger Anhänge, die durch einen in der Zellhülle verankerten Motor gedreht werden. Das Bakterium bewegt sich dabei nicht ziellos: Rezeptoren in der Zellhülle messen laufend, ob die Konzentration bestimmter Stoffe zu- oder abnimmt, und steuern über diese Rückmeldung die Drehrichtung des Motors. Auf diese Weise gelangt die Zelle in Richtung von Nährstoffen und von schädlichen Stoffen fort.
Das Erbmaterial liegt auf einem einzigen ringförmigen Chromosom, das nicht von einer Kernhülle umgeben ist. Bacillus subtilis war eines der ersten Bakterien überhaupt, dessen Erbinformation vollständig entziffert wurde – nach dem Darmbakterium Escherichia coli der wohl am gründlichsten untersuchte Vertreter seiner Art. Auffällig ist der hohe Anteil an Genen für Enzyme, die das Bakterium nicht für sich behält, sondern nach außen abgibt. Diese Ausstattung passt zu seiner Lebensweise im Boden, wo Nährstoffe überwiegend in Form großer, unlöslicher Moleküle vorliegen, die erst außerhalb der Zelle zerlegt werden müssen.
Modellorganismus der Forschung
Für die Erforschung grampositiver Bakterien nimmt Bacillus subtilis dieselbe Stellung ein wie Escherichia coli für die gramnegativen. Das hat mehrere Gründe. Die Art wächst schnell und anspruchslos, sie ist für den Menschen ungefährlich, und sie lässt sich genetisch außergewöhnlich leicht verändern.
Der wichtigste dieser Gründe ist die sogenannte natürliche Kompetenz. Unter bestimmten Bedingungen, vor allem gegen Ende einer Wachstumsphase, schaltet ein Teil der Zellen in einen Zustand um, in dem sie freie Erbsubstanz aus ihrer Umgebung aufnehmen und in das eigene Chromosom einbauen. Für die Forschung bedeutet das, dass sich gezielte Veränderungen am Erbgut ohne aufwendige Umwege einbringen lassen. In der Natur dürfte diese Fähigkeit dem Erwerb neuer Eigenschaften und der Ausbesserung beschädigter Abschnitte dienen. Sie ist zugleich ein anschauliches Beispiel dafür, wie Erbinformation zwischen Bakterien weitergegeben werden kann.
Ein zweiter Grund ist die Sporenbildung selbst. Sie ist einer der einfachsten bekannten Fälle, in dem aus einer Zelle zwei Zellen mit völlig unterschiedlicher Bestimmung hervorgehen: Die Zelle teilt sich nahe einem Ende, der kleinere Abschnitt wird von der größeren Mutterzelle umschlossen und Schritt für Schritt zur Spore ausgebaut, während die Mutterzelle sich am Ende selbst auflöst. An diesem Vorgang wurde grundsätzlich untersucht, wie eine Zelle ihre Gene in einer festgelegten Reihenfolge an- und abschaltet und wie zwei Zellhälften ihre Entwicklung miteinander abstimmen. Weil die Sporen extreme Bedingungen überdauern, wurden sie außerdem in Versuchen eingesetzt, mit denen die Wirkung von Strahlung, Vakuum und großer Kälte auf Lebewesen untersucht wird.
Gemeinschaftsverhalten und Beläge
Lange galten Bakterien als Einzelgänger. An Bacillus subtilis lässt sich besonders gut zeigen, dass das zu kurz greift. Auf festen Oberflächen und an Grenzflächen zwischen Wasser und Luft bilden die Zellen zusammenhängende Beläge, in denen sie von einer selbst gebildeten Masse aus Zuckern und Eiweißen umgeben sind. Solche Beläge wachsen zu Kolonien mit auffälligen Falten und Runzeln heran und schützen die eingebetteten Zellen vor Austrocknung und vor schädlichen Stoffen.
Innerhalb einer solchen Gemeinschaft verhalten sich die Zellen nicht gleich, obwohl sie genetisch übereinstimmen. Ein Teil bildet die umhüllende Masse, ein anderer wird beweglich, ein weiterer nimmt fremdes Erbmaterial auf, und wieder ein anderer beginnt mit der Sporenbildung. Diese Aufteilung geschieht nicht nach einem festen Plan, sondern beruht auf zufälligen Schwankungen in der Aktivität einzelner Gene. Für die Gesamtheit der Zellen ist sie von Vorteil, weil für jede denkbare Veränderung der Umgebung bereits ein Teil der Bevölkerung vorbereitet ist. In der Rhizosphäre, dem unmittelbaren Umfeld von Pflanzenwurzeln, überziehen solche Beläge die Wurzeloberfläche und tragen dazu bei, dass pflanzenschädliche Pilze dort weniger Fuß fassen können.
Nutzung in Industrie und Lebensmitteln
Die Fähigkeit, große Mengen an Enzymen nach außen abzugeben, hat Bacillus subtilis und seine nächsten Verwandten zu den wichtigsten Arbeitspferden der industriellen Biotechnologie gemacht. Eiweißspaltende Enzyme aus dieser Verwandtschaft – die bekannteste Gruppe wird als Subtilisine bezeichnet – stecken in Waschmitteln, wo sie Eiweißflecken schon bei niedrigen Temperaturen lösen. Stärkespaltende Enzyme derselben Herkunft werden bei der Herstellung von Backwaren, Zuckersirupen und Textilien eingesetzt. Die Art dient darüber hinaus als Wirtsorganismus, in dem Enzyme hergestellt werden, deren Bauplan aus anderen Organismen stammt; ihre Ungefährlichkeit und die lange Erfahrung mit ihrer Handhabung sind dafür ausschlaggebend.
Auch einzelne Nährstoffe werden mit Bacillus subtilis gewonnen. Riboflavin, besser bekannt als Vitamin B2, wird großtechnisch überwiegend durch Vergärung mit Stämmen dieser Art hergestellt und ersetzt dabei ältere chemische Verfahren. In Ostasien vergärt eine besondere Form der Art gekochte Sojabohnen zum japanischen Natto; die zähen Fäden, für die dieses Erzeugnis bekannt ist, bestehen aus einer vom Bakterium gebildeten Kette der Aminosäure Glutaminsäure. Diese Substanz wird auch außerhalb der Lebensmittelherstellung genutzt, etwa als Verdickungsmittel und als Bindemittel.
Schließlich werden Sporen der Art als Zusatz in Futter- und Nahrungsergänzungsmitteln verwendet. Der Vorteil gegenüber anderen Probiotika liegt darin, dass Sporen weder gekühlt werden müssen noch bei der Verarbeitung absterben und die Magenpassage unbeschadet überstehen.
Bacillus subtilis als Verderbniserreger
So nützlich die Art ist, in der Lebensmittelherstellung tritt sie auch als Schädling auf. Bekannt ist vor allem das Fadenziehen des Brotes. Sporen aus dem Mehl überstehen das Backen, weil im Inneren des Brotes die Temperatur des kochenden Wassers nicht wesentlich überschritten wird. Bleibt das Brot anschließend warm und feucht gelagert, keimen die Sporen aus, und die ausgeschiedenen Enzyme bauen Stärke und Eiweiß der Krume ab. Die Krume wird dabei schmierig und lässt sich beim Auseinanderbrechen in Fäden ziehen; hinzu tritt ein auffällig süßlich-fruchtiger Geruch. Betroffen sind vor allem Brote mit geringem Säuregehalt in der warmen Jahreszeit. Sauerteigführung, ausreichende Säuerung und rasches Abkühlen der Backwaren wirken dem entgegen.
Ähnliches gilt für erhitzte Lebensmittel im Allgemeinen: Sporen aus pflanzlichen Rohstoffen überleben das Erhitzen, und im anschließend langsam abkühlenden oder warm gehaltenen Erzeugnis fehlt die Konkurrenz der abgetöteten Begleitflora. Der Verderb äußert sich je nach Erzeugnis in Säuerung, Schleimbildung oder Fehlgerüchen.
Nachweis im Labor
Im gefärbten Ausstrich erscheint Bacillus subtilis als großes, plumpes Stäbchen, oft in Ketten gelagert; eine bereits gebildete Spore zeigt sich als ungefärbte Aussparung, weil die Sporenhüllen den Farbstoff nicht aufnehmen. Auf Nährböden wächst die Art rasch zu großen, matten, häufig unregelmäßig gerandeten und trocken wirkenden Kolonien heran. Der Nachweis des Enzyms Katalase fällt positiv aus. Die genaue Artbestimmung erfolgt heute überwiegend massenspektrometrisch, indem aus einer Kolonie ein Muster von Eiweißbruchstücken gewonnen und mit einer Datenbank abgeglichen wird; ergänzend werden Gene mit Verfahren wie der Polymerase-Kettenreaktion gezielt vervielfältigt und verglichen.
Für die Bewertung eines Befundes ist entscheidend, woher die Probe stammt. Weil Sporen der Art in Luft und Staub allgegenwärtig sind, ist ihr Nachweis in einer Blutprobe weit häufiger eine Verunreinigung während der Probenentnahme als ein Hinweis auf eine echte Bakteriämie. Erst wenn derselbe Keim wiederholt und aus mehreren Proben gewonnen wird und das Krankheitsbild dazu passt, wird ihm eine ursächliche Rolle zugeschrieben – und auch dann fast ausschließlich bei Menschen mit erheblich geschwächter Abwehr, mit dauerhaft liegenden Kathetern oder nach ausgedehnten Verletzungen.
Quellen
- Suerbaum, S., Burchard, G.-D., Kaufmann, S. H. E., Schulz, T. F. (Hrsg.): Medizinische Mikrobiologie und Infektiologie.
ISBN: 9783662613849
- Hof, H., Schlüter, D. (Hrsg.): Duale Reihe Medizinische Mikrobiologie.
ISBN: 9783132443174
- Kayser, F. H., Böttger, E. C., Deplazes, P., et al.: Taschenlehrbuch Medizinische Mikrobiologie.
ISBN: 9783132447936
- Holtmann, H., Holtmann, J., Lommen, J., Schorn, L. K.: BASICS Medizinische Mikrobiologie, Hygiene und Infektiologie.
ISBN: 9783437414718
- Kramer, A., Assadian, O., Exner, M., et al. (Hrsg.): Krankenhaus- und Praxishygiene.
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