Wie stoppt man die horizontale Weitergabe von Antibiotikaresistenzgenen?

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Antibiotika, ein Thema, das uns hier auf WissensLogs nicht mehr loslässt. Wenn Sören Schewe den Einsatz von Antibiotika in der Tierhaltung der Landwirtschaft diskutiert oder Sebastian Reusch darauf hinweist, dass Antibiotikagabe bei dem gerade zirkulierenden EHEC O104:H4 alles nur noch schlimmer macht, dann muss auch dem letzten Ignoranten klar sein, dass sich Bakterien auch über die Nahrungskette der Lebensgemeinschaften von Menschen, Tieren und Pflanzen verbreiten und immer neue Nischen finden. Es kann also keine isolierte und „perfekte“ Lösung geben.

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Abb.1: Ein Cluster von E.coli-Bakterien. Die elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt eine zehntausendfache Vergrößerung.

Weil wir die Bakterien in unserem Lebensraum mit bloßem Auge nicht sehen können, schenken wir ihnen meist wenig Beachtung und müssen es auch nicht, denn nur ein kleiner Bruchteil (Kann jemand eine Prozentangabe machen?) von den existierenden Bakterienstämmen macht uns krank. Und eigentlich sind wir die Eindringlinge, denn Bakterien gibt es schon seit Millionen Jahren während der Homo sapiens eine sehr junge Species ist, die sich erst „vor Kurzem“ ausgebreitet hat. Stellt euch mal vor es gäbe wirklich eine Konferenz der Tiere oder besser Organismen und es würde, nachdem Mehrheitsprinzip entschieden, da hätten wir nichts zu lachen.

Aber genug der wilden Spekulationen, heute möchte ich erstmal kurz allgemein beschreiben, wie sich Bakterien gegen Antibiotika wehren, ein Thema, das hier leider viel zu kurz kommt und dann einen Fachartikel vorstellen, der sich damit beschäftigt wie man die Weitergabe von Antibiotikaresistenzgenen in E. coli stoppen kann.

Antibiotikaresistenzmechanismen von Bakterien

Einige Bakterien haben schon Antibiotikaresistenzen, bevor sie Antibiotika ausgesetzt sind. Das sage ich nur, weil viele Leute noch glauben, dass Bakterien, nach dem Einsatz von Antibiotika, aktiv und spezifisch beginnen – im Lamarckschen Sinne ( Das Beispiel mit der Giraffe) – schützende Mutationen gegen Antibiotika herzustellen. Diese Annahme wurde schon vor mehr als 60 Jahren im berühmten Fluktuationsexperiment von Luria und Delbrück widerlegt.

Bakterien haben mehrere Möglichkeiten Antibiotika unwirksam zu machen:

Die Bakterien machen das Antibiotikum chemisch/enzymatisch unwirksam z. B. durch β-Lactamasen, Aminoglykosid-Phosphorylasen, Acetyltransferasen, Adenylyltransferasen etc. Wäre auch ein Thema für die Chemiker auf WissensLogs und ich will jetzt nicht die Namen der beiden nennen, die mir da einfallen 😉

Die Bakterien machen ihre Zellwand undurchlässig für das Antibiotikum. Vielleicht kann man hier molekulare „Trojanische Pferde“ entwickeln. Dafür braucht man aber noch mehr Strukturdaten und ich weiß nicht, was heute in der chemischen Synthese diesbezüglich möglich ist.

Die Bakterien scheiden eindringendes Antibiotikum wieder aus, bevor es Schaden anrichten kann, z. B. mit in den Membranen vorkommenden Effluxsystemen, die, wie ich vermute, Ähnlichkeit mit den Multidrugtransportern von eukaryontischen Krebszellen haben. Krebsmedikamente, die diese Transporter blockieren, könnten vielleicht auch (und zumindest kurzzeitig) als Antibiotika eingesetzt werden und umgekehrt.

Bakterien und Krebszellen, vor allem die die Tochtergeschwülste (Metastasen) bilden, haben beide bestimmt ähnliche Strategien entwickelt um dem menschlichem Immunsystem zu entkommen. Also höchste Zeit, dass Bakteriologen und Krebsforscher sich an einen Tisch setzen. Es lohnt sich bestimmt über den Tellerrand zu gucken und ein wenig herumzuprobieren.

Bei fast allen Bakterien liegen die verschiedenen Resistenzgene auf übertragbaren DNA-Molekülen wie Plasmiden oder Transposons. Liegen die verschiedenen Resistenzgene gemeinsam auf einem Plasmid führt die Anwendung eines Antibiotikums dann automatisch auch zur Anreicherung von Resistenzgenen gegen andere Antibiotika.

Bakteriensex und was sie schon immer darüber wissen wollten

Sex sells  – nicht nur in der Werbung sondern auch in der Evolution. Was die Biologen salopp Bakteriensex nennen, findet man in einschlägigen Fachbüchern unter dem Begriff bakterielle Konjugation beschrieben: Dabei lagern sich Bakterien aneinander und fusionieren an einer bestimmten Stelle ihre Membranen, dort entstehen dann Löcher in beiden Membranen. Die beiden Löcher werden durch einen Proteintunnel verbunden, in dem das Plasmid von einem Bakterium zum anderen transportiert wird. So können Resistenzgene auch auf nicht verwandte Bakterien übertragen werden (horizontaler Gentransfer). Dabei entstehen auf natürlichem Wege transgene Bakterien. Solche Vorgänge sind dort besonders häufig, wo viele verschiedene Bakterien an einer Stelle vorkommen, z. B. im Darm, auf Schleimhäuten, in Abwasser, in Biofilmen.

Wo wir gerade von Sex reden: E.coli macht es eigentlich nur mit seinesgleichen aber die Luder unter den Bakterien, die es also mit jedem treiben, sind die Enterokokken. Enterokokken sind obligate Darmbewohner von Tieren und Menschen und nur in Ausnahmefällen krankheitsverursachend, aber sie sind Weltmeister im Einsammeln und Weitergeben von Antibiotikaresistenzgenen. Zu ihren Liebhabern zählen Enterobakterien, Milchsäurebakterien, Listerien, Clostridien, Staphylokokken usw. Das Vorkommen von Avoparcin/Vancomycin-resistenten Enterokokken in der Darmflora von Hühnern, Schweinen und bei Konsumenten in Europa hat zum Verbot der Avoparcin geführt [1]. Das Vorkommen Vancomycin-resistenter Enterokokken in Hühnern und in der menschlichen Darmflora hat nach dem Avoparcin-Verbot bereits deutlich abgenommen [1].

Bisher ist, meines Wissens nach, noch nicht ausreichend untersucht, ob nicht-pathogene Bakterien aus Lebensmitteln ihre Antibiotikaresistenzgene nach der Aufnahme in den menschlichen Darm an die “normalen” Bewohner der Darmflora weitergeben können. Das bedeutet, dass es nicht genügt sich nur auf die „bösen“ Keime zu konzentrieren, da selbst wenn alle „bösen“ Keime mit Antibiotikaresistenzgenen vernichtet sind es immer noch ein verstecktes Reservoir an Resistenzgenen in den „guten“ Bakterien gibt.

Verhütung bei E.coli: Bisphosphonate statt Kondome

Grund genug sich also mit der Konjugation in normalerweise harmlosen Bakterien wie E.coli zu beschäftigen. Das haben Matt Redinbo und sein Forscherteam von der Universität North Carolina in Chapel Hill getan und in der Bakterienkultur gezeigt wie man die bakterielle Konjugation in E. coli stoppen kann [2]. Die Gene für die Konjugationsmaschinerie in E. coli liegen auch auf einem Plasmid. Das Bakterium mit diesem Plasmid bekommt für seinen Genotyp die Kennzeichnung F+ das ohne F-. Die Gene werden immer von F+ zu F-  übertragen.

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Abb.2: Die bakterielle Konjugation bei E.coli

Die Wissenschaftler blockierten die bakterielle Relaxase, ein Enzym das für den aktiven Transport der DNA bei der Konjugation zuständig ist, mit den Bisphosphonaten Clodronat und Etidronat.  Das sind Medikamente die normalerweise gegen Knochenschwund verabreicht werden. Diese Bisphosphonate blockieren die DNA-Bindungsstelle der Relaxase.

Redinbo will seine Arbeiten nun mit Tierversuchen fortsetzen und hofft, dass die beiden Substanzen auch gegen verwandte und pathogene Bakterienstämme wie Acinetobacter baumannii, Staphylococcus aureus und Burkholderia wirksam sind.

Ich weiß nicht wie es euch geht, aber ich denke es ist Zeit für ein Bloggewitter über  (natürliche und synthetische) Antibiotika auf SciLogs.

Weiterführende Literatur

[1] Vancomycin-resistente Enterokokken (2008) Guido Werner, Ingo Klare, Wernigerode, Johannes Hübner, Winfried V. Kern, Freiburg, und Wolfgang Witte, Wernigerode, Chemotherapie Journal, 17. Jahrgang, Heft 5, S. 184-193.

[2] Disrupting antibiotic resistance propagation by inhibiting the conjugative DNA relaxase. (2007) Lujan SA, Guogas LM, Ragonese H, Matson SW, Redinbo MR. Proc Natl Acad Sci U S A, Jul 24, 104(30), 12282-12287.

Weiterführende Links

Prozesse des horizontalen DNA Transfers in Bakterien

Our bodies are a global marketplace where bacteria trade genes

Bodenbakterien geben Resistenzen weiter

Tier-Antibiotika entfachen Viren

Bildnachweis

Abb.1: Ein Cluster von E.coli-Bakterien

Beschreibung:Low-temperature electron micrograph of a cluster of E. coli bacteria, magnified 10,000 times. Each individual bacterium is oblong shaped.

Autor: Eric Erbe, digital colorization by Christopher Pooley, both of USDA, ARS, EMU.
Datum: März 2005
Quelle:  Wikimedia Commons

Abb.2: Die bakterielle Konjugation bei E.coli

Beschreibung: Conjugation shown on E.coli

Autor: Lanzi
Datum:19. August 2008
Quelle: Wikimedia Commons

 

 

Veröffentlicht von

Joe Dramiga ist Neurogenetiker und hat Biologie an der Universität Köln und am King’s College London studiert. In seiner Doktorarbeit beschäftigte er sich mit der Genexpression in einem Mausmodell für die Frontotemporale Demenz. Die Frontotemporale Demenz ist eine Erkrankung des Gehirns, die sowohl Ähnlichkeit mit Alzheimer als auch mit Parkinson hat. Kontakt: jdramiga [at] googlemail [dot] com

4 Kommentare

  1. Hey Joe,

    sehr schöner Artikel. Habe einiges erfahren und wiederholen können.

    Das mit den Vancomycin-resistenten Viechern muss ich mir glatt mal merken und bei Gelegenheit genauer anschauen.

    Ein Bloggewitter wäre tatsächlich nicht ganz uninteressant, gerade weil uns die ganze EHEC-Geschichte wohl noch eine Weile begleiten wird…

  2. Nur in einigen Menschen und Tieren

    Man kann die horizontale Weitergabe von Antibiotikaresistenzgenen nur in einigen Menschen und Tieren verhindern.

    Die restlichen 99,9 Prozent der tierischen Darminhalte und der tierischen Ausscheidungsprodukte sind für Antibiotika praktisch unerreichbar.

  3. Bakterien in der Waschmaschine

    Bakterien scheinen ja ein interessantes Eigenleben zu führen. Neuerdings vermutet man, “dass die rasche Ausbreitung von antibiotikaresistenten Keimen in den USA mit den neuen Waschgewohnheiten in Verbindung steht. Bis vor wenigen Jahren kannte man diese Entzündungen verursachenden und mitunter tödlichen Erreger nur in Krankenhäusern und Altenheimen. Heute sind diese Bakterien, die sich nur mit stärksten Medikamenten bekämpfen lassen, auch in häuslicher Umgebung zu finden – auch in Deutschland.”

    Quelle: http://www.sueddeutsche.de/…eimschleuder-1.36324

  4. Hallo Mona,

    Wenn man die Nahrung und die Wäsche nicht kocht, dann wird es natürlich immer darin von Mikroorganismen wimmeln.

    Sushi oder Beefsteak tatare ist daher weniger zu empfehlen.

    Etwas zuverlässiger als das Kochen wären aber mindestens 20 Minuten bei mindestes 120 Grad Celsius im Druckkochtopf oder im Autoklaven.

    Einige Lebensformen halten sogar das aus, aber die meisten davon sind nicht sehr gefährlich.

    Den Prionen, die eigentlich keine Lebensform sind, macht 120 Grad Celsius überhaupt nichts aus.

    Man könnte natürlich auch alles mit 3 % Wasserstoffperoxid waschen, was vermutlich für frisches, unzerschnittenes Obst und Gemüse geeignet ist.

    Wenn der EHEC-Keim im Inneren von zum Beispiel Sprossen sitzt, dann hilft das aber auch nicht.

    Danach sollte man aber mit sauberem Wasser nachspülen, denn sonst wird die Mundschleimhaut gleich mit abgetötet.

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