Salmonellenimpfstoff dank Schwerelosigkeitsforschung?
BLOG: Go for Launch
Die Internationale Raumstation (ISS: International Space Station) war von Anfang an als Labor für die Forschung unter Bedingungen geplant, die auf der Erdoberfläche nicht gegeben sind. Diese Forschung sollte unter anderem zu neuen Medikamenten und Behandlungsmethoden führen.
(Read this post in English here)
Lange Zeit war außer vollmundigen Ankündigungen wenig von Erfolgen oder Durchbrüchen zu hören oder lesen. Dies lag aber zum Teil daran, dass Bau und Inbetriebnahme der ISS sich immer weiter verzögerten. Erinnert sich noch jemand daran, dass eigentlich geplant war, eine große Raumstation (damals noch nicht mit der internationalen Ausprägung der heutigen ISS) bereits 1992 in Betrieb zu nehmen? Nun, mehr als 15 Jahre später, nähert sich eine mehrfach umkonstruierte und abgespeckte Station ihrer Fertigstellung. Sie wird weit hinter dem zurückbleiben, was ursprünglich einmal vorgesehen war.
Es ist absolut verständlich, wenn sich auch bei einem raumfahrtbegeisterten Beobachter eine gewisse Ernüchterung breit macht, ja sogar ein gerüttelt Maß Skeptizismus, so auch bei mir – und was die Begeisterung für die Raumfahrt angeht, bin ich eigentlich kaum zu schlagen.
Umso mehr freute es mich, diesen Artikel auf spaceflightnow.com zu finden. Da geht es um biomedizinische Forschung mit dem Ziel der Suche nach einem Impfstoff gegen Salmonellen. Salmonellen führen jährlich bei Millionen Menschen zu Infektionskrankheiten mit weltweit Tausenden von Toten. Allein in den USA erkranken jährlich 7 Millionen Menschen an Salmonellosen. Bei 20000 von diesen Patienten wird ein Krankenhausaufenthalt notwendig, 500 bis 700 Fälle enden tödlich.
Nun muss ich voranschicken, dass ich kein Biologe und auch kein Mediziner bin, ich kann also hier nur wiedergeben, was ich gelesen habe. Das erscheint mir zumindest vielversprechend. Aus dem oben erwähnten Artikel zitiere ich wie folgt:
The Salmonella breakthrough occurred when Astrogenetix [das Unternehmen, das diese Forschung durchführen ließ] [….] discovered that zero gravity increases the potency of the Salmonella bacteria. Astrogenetix then did space tests to determine which genes in Salmonella were responsible for this.
The space testing narrowed the increased virulence to two genes in the bacteria. Those genes were then removed individually for space testing. The bacteria were fed to tiny research worms, which would die if they consumed bacteria with a specific gene. That testing resulted in discovery of the specific gene that causes Salmonella to cause disease.
The company believes that by identifying that specific gene, its scientists can remove that specific gene from Salmonella bacteria reproducing in a ground laboratory. This would create harmless salmonella bacteria that can be used to create a vaccine.
Also eine clevere Nutzung der bereits vor Jahren beobachteten und publizierten Tatsache, dass manche Bakterien unter Schwerelosigkeitsbedingungen viel virulenter sind als unter Normalbedingungen auf der Erde. Und jetzt kommt der wirkliche Clou:
The same gene removal research can be used to disable other disease-causing bacteria for other vaccine production.
Das heißt, bei einem Impfstoff gegen Salmonellen, der allein schon Millionen von Menschen nützen kann, sollte es nicht bleiben. Das Verfahren könnte eine Blaupause für ähnliche Forschung werden, die zu anderen medizinisch wichtigen Wirkstoffen führt. Das könnte so manche Sackgasse endlich aufreißen, in der die klinische Forschung heute festsitzt.
Medien, Literatur und Filme stellen die biomedizinische Forschung manchmal so dar, als könnten Wissenschaftler zielgerichtet in genetischem Material schalten und walten und dabei nach Belieben einen gewünschten Effekt erzielen. Dies hat wohl mit der Realität wenig zu tun, auch in der Gentechnik steckt noch ein hohes Maß “Trial and Error”.
Ein Glücksfall in der experimentellen Untersuchung kann dabei unverhofft eine Tür aufstoßen. Grundlagenforschung ist grundsätzlich nicht zielgerichtet oder exakt planbar, zumal man ja gar nicht immer von vorneherein weiß, was man überhaupt sucht. Um so umwerfender kann dann aber der Durchbruch sein, zu dem eine unerwartete Entdeckung führt.
Eins allerdings konsterniert mich in dem Artikel. Wieso werden da die Kosten angesprochen, die in der Lebensmittelproduktion für Hygienemaßnahmen anfallen? Soll das etwa heißen, dass man bei Vorhandensein eines Impfstoffs auf Hygiene und Prophylaxe pfeifen kann? Das kann ja wohl nicht sein, oder?
Mir ist natürlich bewusst, dass von der Forschung bis zum klinischen Einsatz ein weiter Weg führt. Dennoch, wenn am Ende dieses Wegs ein Impfstoff steht, dann ist dies eine tolle Nachricht. Und auch dies will ich hier loswerden: Weltraumforschung nützt Menschen. Vielen Millionen Menschen. Auch den Schwächsten unter uns, den Armen, die genau im Weg eines sich nähernden Hurrikans hausen, oder den Kranken, die auf einen Wirkstoff warten, der ihr Leiden lindert.
Wenn wegen kleinlichen politischen Gezänks die Weltraumforschung um Jahre oder Jahrzehnte aufgehalten wird, dann bedeutet das unter Umständen eben auch, dass Millionen Menschen Jahre und Jahrzehnte länger als nötig leiden müssen. Den Zankenden ist das vielleicht egal, mir aber nicht, Ihnen sicher nicht und den Kranken erst recht nicht.
Aber heute habe ich erst einmal gute Laune. Auch das ist eine positive Folge erfolgreicher Weltraumforschung.
Weitere Information
Artikel auf medgadget.com zur Entdeckung gesteigerter Virulenz unter Schwerelosigkeit (25.9.2007)
Artikel auf sciencenow.com zum selben Thema (24.9.2007)
Auch auf der Erde schwerelos
Gibt es Theorien darüber, warum manche Bakterien unter Schwerelosigkeitsbedingungen viel virulenter sind als unter Normalbedingungen auf der Erde?
In flüssigen Nährmedien sind die Bakterien auch auf der Erde praktisch schwerelos.
Wenn man dann noch die Sedimentation der Bakterien durch eine langsame Rotation des Kulturgefässes um eine horizontale Achse verhindert, dann sollten die Bakterien von der irdischen Schwerkraft fast gar nichts bemerken.
Die Beschleunigung von Makromolekülen durch die thermische Molekularbewegung liegt ebenfalls weit über der Erdbeschleunigung.
Auf der Erde nicht schwerelos
Ich bitte im Beachtung der unter “weitere Information” verlinkten Online-Artikel, insbesondere die Bezugnahme auf das Hfq-Protein.
In flüssigen Medien moegen Objekte auch unter 1 g vielleicht schweben. Das ist nicht dasselbe wie Schwerelosigkeit, denn die Schwerkraft ist vorhanden und wird wahrgenommen.
Die Schwerkraft greift an jedem Teilchen eines Koerpers an, die Auftriebskraft aber nur an der Außenfläche. Ein Wasserrest sammelt sich bei einem Taucher unten in seiner Maske an.
Im Orbit jedoch, wo der Schwerkraft eine gleich große Zentrifugalkraft entgegengerichtet hat man wirkliche “Schwerelosigkeit” oder zumindest Mikrogravitation, denn ein Raumfahrzeug hat eine Ausdehung auch in radialer Richtung.
Das macht offenbar einen goßen Unterschied. Wieso, das sollten Sie einen Mikrobiologen fragen.
Nicht nur an der Außenfläche
Die Schwerkraft greift an jedem Teilchen eines Körpers an, die Auftriebskraft aber nur an der Außenfläche.
Ja, schon, aber die Bakterien sind restlos mit Flüssigkeit gefüllt, so dass die Auftriebskraft an der Außenfläche jedes einzelnen Moleküls angreift.
Dazu kommt noch, dass begeisselte Bakterien schon von Natur aus oftmals um ihre Längsachse rotieren.
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Die mittlere thermische Molekular-Geschwindigkeit in Metern pro Sekunde:
v in m/s = 158 * QWURZEL( Temperatur in Kelvin / MolGew in Dalton )
Für Wasser mit 18 Dalton bei 37 °C: 656 m/s.
Für ein schwereres Protein mit 100000 Dalton bei 37 °C: 8,8 m/s.
Die mittlere freie Weglänge in flüssigem Wasser beträgt rund 0,2 nm.
Es finden also zahlreiche Zusammenstösse, Geschwindigkeitsänderungen, und Beschleunigungsvorgänge pro Sekunde und Molekül statt, die alle weit über der Erdbeschleunigung liegen.
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Ich war 33 Jahre lang in der Molekularbiologie tätig, aber den Einfluss der Schwerelosigkeit auf Bakterien kann ich mir nicht erklären.
Cheryl Nickerson
Ich bin da gewiss kein kompetenter Ansprechpartner. Die in den unter “weitere Information” verlinkten Artikeln erwähnte Biologin Cheryl Nickerson hat Papers zu diesem Thema geschrieben, die vielleicht weiterhelfen.
Noch ein Nachtrag:
Hier:
http://www.nasa.gov/…ce/experiments/Microbe.html
steht:
“In addition, by using a ground-based model of space flight conditions on Earth, it was possible to reproduce the Hfq regulation of some of the Salmonella responses observed in flight.”
Noch ein zweiter Nachtrag:
Hier:
http://www.sciencedaily.com/releases/2008/12/081212092052.htm
steht:
“But what was causing Salmonella to undergo such a dramatic transformation under conditions of microgravity? At least part of the answer, Nickerson believes, is related to the mechanical forces exerted upon the bacterial cell’s membrane by the growth conditions—a property known as fluid shear. Specifically, the microgravity conditions aboard the space shuttle produce a condition of reduced fluid shear, an effect that appears to trigger an intensification of virulence in Salmonella grown in LB medium. As Nickerson points out, “No one had thought to look at a mechanical force like fluid shear on the disease-causing properties of a microorganism.””
“fluid shear” bedeutet sinngemäss “Scherungs-Strömung”, und diese kann man auch auf der Erde vermeiden.
Nachträge
Es hat wohl wenig Sinn, uns Textschnipsel aus online-Veroeffentlichungen um die Ohren zu hauen.
Die Erklärung düfte sich in den Veroeffentlichungen finden lassen.
Die Erklärung
Der Wegfall der Scherungs-Strömung ist doch bereits die Erklärung.
Die Dichte des Kulturmediums erhöhen
Ich weiss auch schon, wie man auch auf der Erde die Sedimentation von Bakterien verhindern kann.
Man setzt dem Kulturmedium eine Substanz zu, die biologisch inert ist, die makromolekular ist, die daher einen geringem osmotischen Druck hat, und die die Dichte des Kulturmediums so weit erhöht, dass die Bakterien gerade schweben.
In Frage kommen Ficoll-Paque, Lymphoprep, oder Agarose, die auch die Viskosität erhöht.
Anhang für Chemiker:
Ficoll-Paque und Lymphoprep enthalten als die Dichte erhöhende Komponente Ficoll 400.
Ficoll 400 ist der Handelsname für ein synthetisch hergestelltes Polysaccharid aus Saccharose und Epichlorhydrin, das sich leicht in Wasser löst.
Es ist neutral und stark verzweigt, und hat ein Molekulargewicht von 400000 Dalton.
Lösungen mit einer Konzentration von 0,5 g/ml (= 50 w/v %) erreichen eine Dichte-Erhöhung auf rund 1,2 g/ml.
Das liegt auf jeden Fall oberhalb der Dichte von Bakterien.
Natürlich muss man in diesem Falle mit dem halben Volumen von doppelt konzentriertem Kulturmedium beginnen, nach dem Lösen des Ficoll 400 mit destilliertem Wasser auffüllen, und steril filtrieren.
Wenn man später die Bakterien durch Zentrifugation gewinnen will, dann muss man natürlich mit geöhnlichem Kulturmedium stark verdünnen.
Zweiter Anhang für Chemiker:
Anfangs weiss man ja noch nicht, welche Dichte die Bakterien haben.
Man erzeugt mit dem 50 w/v % Ficoll 400 enthaltenden Kulturmedium und mit dem gewöhnlichem Kulturmedium einen linearen Dichtegradienten von rund 1,2 g/ml auf rund 1 g/ml, in dem natürlich alle anderen Komponenten des Kulturmediums an jeder Stelle die gleiche Konzentration haben müssen.
Die Bakteriensuspension in gewöhnlichem Kulturmedium wird in konzentrierter Form und in wenig Volumen über die Oberfläche des Dichtegradienten geschichtet.
Unter dem Einfluss der Erdschwerkraft sinken nun alle Bakterien genau an jene Stelle des Dichtegradienten, an der dieser genau ihre Dichte hat.
Das ist im Prinzip eine isopyknische Zentrifugation bei nur 1 g Beschleunigung.
Was auch immer die Bakterien für unterschiedliche idividuelle Dichten haben, nach einiger Zeit sind sie völlig schwerelos und frei von Scherungs-Kräften.
Das wäre doch ein schönes Experiment für Biologie-Studenten oder -Studentinnen.
Animation eines einfachen Dichtegradienten-Mischers für lineare Dichtegradienten:
http://members.chello.at/….bednarik/GRAMISCH.gif
Wenn diese Animation nicht läuft, dann liegt es an den Einstellungen der persönlichen Firewall.
Dritter Anhang für Chemiker:
Um den Einfluss des Ficoll 400 enthaltenden Kulturmediums auf die Bakterien ausschliessen zu können, wird eine Vergleichskultur mit der gleichen Konzentration von Ficoll 400 permanent geschwenkt, um Scherkräfte zu erzeugen.
Anhang für Chemiker
Na, dann hoffen wir mal, daß ein Chemiker auch den Weg zu den Kosmologs findet.
Von der Raumfahrt begeistert
Ich kenne eine Menge Chemiker, die von der Raumfahrt begeistert sind.
Einige davon schreiben sogar Science-Fiction.
Auch ich gehöre dazu.
Experimente
Ich finde es generell gut, wenn man sich alle möglichen Gedanken macht.
Aber ganz so einfach, wie sie das darstellen, kann es jedoch wohl nicht sein, solche Forschung auf der Erde zu machen und die Bedingungen der Schwerelosigkeit durch ein geeignetes Medium zu ersetzen.
Etwas werden sich die Wissenschaftler ja wohl gedacht haben, als sie ihre Experimente planten. Ich gehe mal davon aus, dass die ihr Fach verstehen und dass da etwas dahintersteckt, was man nicht eben so im Vorbeigehen durch Handauflegen nachvollziehen, widerlegen oder bestätigen kann.
Nach allem, was ich zum Thema gelesen habe, sind die physiologischen Reaktionen verschiedener Organismen auf Schwerelosigkeit und andere Bedingungen im Orbit nicht unbedingt alle schon komplett verstanden und auch nicht alle mit einem Satz zu erklären.
Aber natürlich kann ich damit auch ganz falsch liegen.
Scherströmungen in Wasser
Die Struktur flüssigen Wassers ist hochkompliziert und auch heute nicht in allen Einzelheiten verstanden. Man weiß aber, dass sich in schnellem Wechsel Wasserstoffbrückenbindungen aufbauen und wieder verschwinden, was zu einem fluktuierenden System von “Mikrokristallen” führt. Diese Dynamik erzeugt dann Mikroströmungen, die auch für die sog. Brownsche “Molekularbewegung” verantwortlich sein dürften. Es ist nicht einsichtig, wie unter Mikrogravitationsbedingungen dieses Phänomen verschwinden soll. Es wird also wohl weiterbestehen. Es verschwindet naturgemäß jede Art von Konvektionsströmung. Inwiefern auf diese Weise eine signifikante Verminderung der Scherung eintreten kann, ist nicht geklärt. Alles, was man demnach weiß, ist, dass man einen Effekt auf Bakterien beobachtet hat. Das Fazit ist also tatsächlich, dass man (noch) nicht viel über die Mechanismen der Virulenzverstärkung weiß. Das bestätigt auch folgender Artikel:
http://mmbr.asm.org/…EX=2290&resourcetype=HW
Er zieht folgendes Fazit: “Although microgravity and microgravity analogues are known to have a profound effect on numerous microbial parameters, the mechanism(s) by which this occurs is unknown.”
@Wolfgang Herrig
Vielen Dank für Ihre klärenden Worte. Es ist also doch so, dass das Phänomen zwar (anscheinend unbestritten) beobachtet wird, die Erklärung aber nicht so einfach und deswegen noch nicht bekannt ist.
Ich finde das irgendwie beruhigend. Es lässt mich hoffen, dass sich da draußen in dieser Riesenmenge von Sachverhalten, die wir noch nicht wissen und Dingen, die wir noch nicht können, die Lösungen vieler unserer Probleme verbergen.
@ Michael Khan
Ich wünschte, ich könnte die gleiche Beruhigung empfinden, sehe diese Sache speziell im vorliegenden Fall aber kritisch, und zwar aus folgenden zwei Gründen:
1. Der Übersichtsartikel, aus dem ich zitiert habe, ist schon fünf Jahre alt ist, und es sieht für mich so aus, dass sich seither kaum neue Erkenntnisse ergeben haben. Zumindest kein theoretischer Unterbau zur Empirie. Sieht man sich die im Internet verfügbare Literatur oberflächlich an (was ich zugegebenermaßen getan habe), so drängt sich doch der Verdacht auf, dass die Phänomene nicht gut abgesichert sind, was auch plausibel ist. Labortiere werden üblicherweise gezielt so gezüchtet, dass ihre Gesundheit äußerst prekär ist, denn sie sollen ja schon bei niedrigen Dosierungen eine spezifische Wirkung zeigen und nicht erst dann, wenn sie unter so hohe Dosen gesetzt werden müssen, dass sie schon unter Vergiftungen leiden. Die Folglich streuen die Mortalitätsraten von Vergleichgruppen stark und ein halbwegs zuverlässiges Ergebnis verlangt häufige Wiederholung. Mit den Bakterien sieht es im Prinzip ähnlich aus. Bei denen gehört Mutation ohnehin zum Tagesgeschäft. Wie das im vorliegenden Fall aussah, weiß ich natürlich nicht, fürchte aber, dass die Ergebnisse nicht sehr oft (genügend oft ?) wiederholt werden konnten, daher statistisch nicht gut belastbar sind und vielleicht nur einen sehr vagen Hinweis liefern.
2. Wenig Vertrauen erweckend ist (zumindest für mich) auch der Umstand, dass Präsident Obama gerade jetzt gezwungen ist, zu sparen, wo er kann. Da rücken Dinge wie das Weltraumlabor automatisch ins Visier, und die Beteiligten sehen sich bohrenden Fragen ausgesetzt, was sie denn nun vorzuweisen haben. Heute habe ich gelesen, dass selbst die Shuttle-Nachfolge wieder in Frage gestellt wird. Da ist es nur natürlich, dass die beteiligten Wissenschaftler aus ihren Schubladen alles hervorkramen, was sie einigermaßen vorweisen können. So könnten auch die virulenten Salmonellen zu diesem Kehraus gehören.