Die Bakterienhülle: Fettig und gefährlich

Welcher Teil der Bakterienhülle kann eine Blutvergiftung auslösen? Die Biologin Ann-Kristin Diederich untersuchte diese Frage in ihrer Doktorarbeit. 

Credit: privat Ann-Kristin Diederich.

Dieser Text von Ann-Kristin Diederich entstand im Rahmen des Wettbewerbs um den Klaus-Tschira-Preis für verständliche Wissenschaft, bei dem Promovierte über ihre Doktorarbeit schreiben. Doch nur die Gewinnertexte erschienen daraufhin in „Bild der Wissenschaft“. Scilogs-Bloggerin Anna Müllner nahm selbst am Wettbewerbe teil und fand es schade, dass viele spannende Geschichten über Wissenschaft nicht den Weg in die Öffentlichkeit finden sollten. Daher finden einige Texte nun einen Platz bei den SciLogs in Form von Gastbeiträgen. Die Artikel findet ihr gesammelt hier. Ann-Kristin promovierte im Dezember 2015 an der Universität Freiburg und der LMU München zum Thema „Pathogenität der Lipidmembran von Enterococcus faecalis“. Sie interessiert sich für Impfstoffe, medizinische Mikrobiologie und arbeitet zurzeit für ein Bundesamt als wissenschaftliche Referentin.

Puh, ist das heiß hier drin! Ein wenig müde bin ich auch. Eine halbe Stunde hinlegen und schlafen … Vier Stunden später. Alles tut mir weh. Die Straßenlaterne scheint durch die Gardinen. Es ist schon dunkel. Alles schwankt und mir ist so heiß. Fieber!

Enterococcus faecium, ein naher Verwandter von E. faecalis

Credit: Ann-Kristin Diederich

Jeder kennt es. Es kommt oft zusammen mit einer Grippe oder Halsentzündung, ist unangenehm und man ist für zwei bis drei Tage außer Gefecht gesetzt. Unangenehm, aber meist nicht gefährlich. Gefährlich kann es werden, wenn das Fieber einhergeht mit einer Blutvergiftung.

Gefährliche Blutvergiftung

Die Ursache kann dabei eine normale Wunde sein, die sich mit Bakterien infiziert. Normalerweise hat das Immunsystem eine solche lokale Entzündung im Griff. Die Blutgefäße weiten sich und werden durchlässiger, damit weiße Blutkörperchen in das infizierte Gewebe eindringen können. Außerdem verschließen sich lokal die Gefäße, um eine weitere Verbreitung der Bakterien zu verhindern. Die erhöhte Temperatur verstärkt die Immunreaktion zusätzlich.

Gelangen die Bakterien aber dennoch in den Blutkreislauf und verteilen sich im gesamten Organismus, spricht man von einer Blutvergiftung oder Sepsis. Durch die Infektion des ganzen Körpers wird das, was im Kleinen nützlich ist, im Großen gefährlich für den Menschen und führt in einem Drittel der Fälle zum Tod: Die Gefäßerweiterung im gesamten Körper verursacht einen starken Abfall des Blutdrucks und es bilden sich überall kleine Blutgerinnsel. Die Organe werden unterversorgt und der septische Schock tritt ein – häufig mit fatalen Folgen.

Bakterien sind mit einer Hülle umgeben, die je nach Gattung unterschiedlich aufgebaut ist. Diese Hülle enthält verschiedene Moleküle, die mit dem Wirt, in diesem Falle dem Menschen, interagieren. Sie helfen z.B. dabei in die Wirtszelle einzudringen und sich an den Oberflächen der Organe anzuheften. Sie können aber auch vom Immunsystem als Fremd erkannt werden und zu dem geschilderten septischen Schock führen. Um welche Moleküle es sich dabei handelt, wurde noch nicht für alle Gattungen eindeutig geklärt.

Die postantibiotische Ära

Viele Ärzte und Wissenschaftler befürchten sehr bald eine postantibiotische Ära, sodass diese kleinen, aber gefährlichen Bakterien noch öfter Menschleben gefährden könnten. Bisher gibt es nur wenige Bakterienarten, gegen die kein Antibiotikum mehr hilft. Die Meinung vieler Wissenschaftler ist aber, dass die Anzahl Antibiotika-resistenter Bakterien durch den vermehrten Einsatz in Tiermast und der Medizin vielfach zunehmen wird. Nur mit genauem Wissen der Mechanismen, die zu Infektionen führen, können alternative medizinische Methoden zur Bekämpfung entwickelt und eingesetzt werden.

In meiner Doktorarbeit beschäftigte ich mich mit einem dieser gefährlichen Bakterien, einer Mutante des Gram-positiven Darmbakteriums Enterococcus faecalis. Bei Gram-positiven und Gram-negativen Bakterien handelt es sich um zwei Gruppen von Bakterien, die sich hauptsächlich durch ihre Zellhülle unterscheiden.

Die Mutante (Enterococcus faecalis 12030ΔbgsA) führt bei einer Infektion der Bauchhöhle von Mäusen zu sehr starken Entzündungsreaktionen. Im Vergleich zum normalen, nicht-mutierten Bakterium starben 10-mal mehr Mäuse (insgesamt 70%) an einer Blutvergiftung. In der von mir untersuchten Mutante war  das Gen bgsA ausgeschaltet, welches zur Herstellung eines Bausteines für die Zellhülle benötigt wird. Dadurch reichert sich eine Vorstufe dieses Bausteins an, die aus einer Fett- und Zuckereinheit besteht. Meine ersten Untersuchungen zeigten, dass die Anreicherung des Bausteines nicht direkt mit der entzündlichen Reaktion zusammenhing. Wie nun aber konnten diese Bakterien, jede 60-mal kleiner als ein menschliches Haar, zu solch einer starken und tödlichen Immunreaktion führen?

Giftige Zellhülle

Das die Immunreaktion auslösende Gift in den sogenannten Gram-negativen Bakterien ist bereits bekannt und befindet sich in der äußeren Zellmembran der Bakterien.

Die Zellmembran besteht hauptsächlich aus Molekülen, die sowohl fett- als auch wasserliebend sind. Sie lagern sich automatisch mit der fettliebenden Seite nach innen und der wasserliebenden nach außen und bilden dabei eine Doppelmembran ähnlich eines dick belegten Sandwiches mit dem fettigen Käse in der Mitte.

Bei dem Gift der Gram-negativen Bakterien handelt es sich um ein großes Molekül, dessen Fetteinheit in der Membran verankert ist und dessen große Zuckereinheit aus der Membran in die Umgebung ragt. Es wird durch spezielle Rezeptoren auf einigen Immunzellen (z.B. Fresszellen) erkannt. Die Fresszellen schütten daraufhin Entzündungsfaktoren aus, die wiederum eine Aktivierung der anderen Immunzellen in Gang setzen. Passiert dies im gesamten Organismus, kann es zum septischen Schock kommen.

In meiner Arbeit isolierte und untersuchte ich verschiedene Teile der Membran von Enterococcus faecalis auf ihre Fähigkeit Fresszellen im Reagenzglas zu aktivieren, indem ich die ausgeschüttete Menge an Entzündungsfaktoren bestimmte.

Falsche Fährte

Das Gift von Gram-negativen Bakterien ist schon seit etwa 50 Jahren bekannt. Bei den Gram-positiven Bakterien tappten Wissenschaftler lange im Dunkeln und zeichneten viele Jahre Lipoteichonsäure verantwortlich für die starken Entzündungsreaktionen. Doch vor ungefähr 10 Jahren wurde festgestellt, dass es sich bei den Komponenten, die entzündliche Reaktionen im Reagenzglas und der Maus auslöste, nicht um die Lipoteichonsäure handelte.

Stattdessen waren es Moleküle, die eine ähnliche Löslichkeit wie die Lipoteichonsäure aufwiesen und sie deshalb oft schlicht verunreinigten. Die Untersuchung der so einflussreichen Verunreinigungen sollte auch das Ziel meiner wissenschaftlichen Untersuchungen sein. Bei ihr handelt es sich um  Fette, die eine Proteineinheit gebunden haben, die sogenannten Lipoproteine.

Die Suche nach dem Molekül

Es galt immer noch für mich herauszufinden, was der Grund für die extreme Sterblichkeit der Mäuse durch die Enterococcus faecalis-Mutante war. Könnten Lipoproteine, die erst seit kurzem als Ursache für starke Entzündungsreaktionen vermutet wurden, verantwortlich sein? Auch wenn diese auf den ersten Blick nichts mit dem ausgeschalteten Gen zu tun hatten?

Um dieser Vermutung auf den Grund zu gehen, untersuchte ich die Gesamtheit aller Proteine der Membranoberfläche. Dafür hängte ich an die Proteine auf der Membranoberfläche ein spezielles Molekül (Sulfo-NHS-SS-Biotin). Im Anschluss trennte ich die Membran des Bakteriums durch Zerstörung der Zellen und ultraschneller Zentrifugation ab. Danach fischte ich die Membranproteine durch das zuvor angehängte Molekül heraus. Im Vergleich der Mutante zum normalen Bakterium zeigte sich nach Analyse der einzelnen Proteine, dass sich 36% Lipoproteine in der Mutante und nur 9% in dem normalen Bakterium befanden! Lipoproteine waren somit in der Mutante deutlich angereichert

Alle Lipoproteine gewonnen

Ähnlich wie Seife sind Lipoproteine, fett- und wasserliebend und somit schwierig von anderen Stoffen zu trennen. Dieser Umstand führte auch zu der Fehlannahme, dass die Lipoteichonsäure die entzündungsverursachende Substanz sei. Ich versuchte dennoch, einzelne Lipoproteine aus der Mutante in reiner Form zu gewinnen, um sie später zu analysieren. Trotz unterschiedlicher Methoden und Herangehensweisen – nie gelang mir die Trennung einzelner Lipoproteine.

Gegen Ende meiner Promotionszeit konnte ich aber schließlich die gesamten Lipoproteine aus der Enterococcus faecalis-Mutante gewinnen. Lipoproteine können durch mehrfaches Wechseln des Lösungsmittels von den anderen Substanzen abgetrennt und auf etwa 70% angereichert werden. Diese extrahierten Proteine der Mutante riefen bei nachfolgenden Test, eine 10-mal stärkere Ausschüttung des Hauptentzündungsfaktors des septischen Schocks hervor, als die Extrakte des normalen Bakteriums! Ich zeigte eindeutig, dass tatsächlich eine höhere Konzentration der Lipoproteine in der Mutante für die 70% höhere Sterblichkeit der Mäuse verantwortlich war!1

Durch das Wissen, welche Komponenten aus Bakterien, zu einer Überreaktion des Immunsystems führen, können gezielt Gegenmaßnahmen entwickelt werden. Handelt es sich nämlich um einen multiresistenten Krankenhauskeim, helfen Antibiotika nicht und andere Therapien müssen angewandt werden. So gibt es bereits erste Versuche, Impfstoffe gegen Enterococcus-Arten zu entwickeln, die auf den Lipoprotein-Strukturen der Bakterien basieren.2

1 Theilacker C, Diederich A-K, Otto A, Sava IG, Wobser D, Bao Y, et al. (2015): „Enterococcus faecalis Glycolipids Modulate Lipoprotein-Content of the Bacterial Cell Membrane and Host Immune Response.“ PLoS ONE 10(7): e0132949. doi:10.1371/journal.pone.0132949

2Romero-Saavedra F, Laverde D, Budin-Verneuil A, Muller C, Bernay B, Benachour A, et al. (2015): „Characterization of Two Metal Binding Lipoproteins as Vaccine Candidates for Enterococcal Infections.“ PLoS ONE 10(8): e0136625. doi:10.1371/journal.pone.0136625

 

Martin Ballaschk ist Biologe, enthält Glutamat und ist auch noch stolz darauf. Das Blog dient ihm als Verdauungsorgan für seine Gedanken: Er denkt hier öffentlich nach über Dinge, die ihn erstaunen, ihm unklar sind oder ihn aufregen. Oder über die er mit Anderen diskutieren möchte. Beruflich als Kommunikator an einem Berliner Forschungszentrum, hier privat.

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