Ganz schön extreme Bakterien

Dieses Wochenende war extrem. Also extrem heiß. Ich komme mit Hitze nicht unbedingt so gut klar. Kälte ist mir ehrlich gesagt lieber. Da kann man immer noch eine Lage Klamotten drauf schmeißen, bei Hitze hat man halt schnell alles ausgezogen. Und was dann?

Bakterien haben da schon wesentlich differenziertere Methoden entwickelt, um mit extremen Situationen umzugehen. Im Labor machen wir uns das zu Nutze, z.B. bei der Vervielfältigung von DNA. Ohne ein Enzym aus dem thermophilen Bakterium Thermus aquaticus, dass z.B. in den heißen Quellen des Yellow Stone Nationalparks vorkommt, wären viele Laboranwendungen überhaupt nicht möglich. Es gibt eine ganze Reihe von sogenannten extremophilen Organsimen, zumeist Mirkoorganismen, die unter verschiedensten extremen Umweltbedingungen leben können. Quasi die Superhelden unter den Bakterien. Je nach Eigenschaft werden die Namen vergeben. Da haben wir Halophile (salztolerant), Acidophile (niedriger pH), Psychrophile und Kryophile (niedrige Temperaturen) und die um die es heute geht: Radiophile, und im Besonderen Deinococcus radiodurans.

Ich habe ja schon vor einer Weile vorgestellt, dass Bakterien ziemlich nützlich sein können. D. radiodurans spielt da auch ganz vorne mit. Radiophile sind in der Lage extreme Mengen ionisierender Strahlung zu verkraften. Die mittlere (akute) lethale Dosis LD50 liegt bei über 10.000 Gy. Im Vergleich dazu sterben die meisten Menschen nach einer Dosis von nur 6 Gy. Für die Astrobiologie ist D. radiodurans ebenfalls interessant, da vermutet wird, dass solche Organsimen auf Asteroiden andere Planeten erreichen könnten. Der Grund für die hohe Resistenz gegen ionisierende Strahlung liegt zum Teil an einer besonders schützenden Zellwand und besonderen DNA-Reparaturmechanismen.

Da gibt einem die Natur also so ein großartiges Werkzeug an die Hand. Was macht man denn jetzt damit? In den letzten Jahren sind Nanopartikel immer wichtiger geworden. Im Bereich der Biomedizin hauptsächlich im Bereich der Diagnostik und Wirkstoffverabreichung (drug delivery). Besonders inetressant sind dabei Silbernanopartikel – AgNPs. Silber hat ja bekanntlich eine antibakterielle Wirkung und wird z.B. auch zur Verbesserung der Materialeigenschaften in künstlichen Gelenken verwendet. Silber enthaltene Medikamente sind allerdings mit Vorsicht zu genießen. Vor der breiten Anwednung von Penicillin wurden gerne Silberlösungen verabreicht, was dann zur Argyrie führen kann – einer permaneten grau-bläulichen Verfärbung der Haut. Auch wenn Avatar ein netter Film war, werden wohl die wenigsten gerne blaugefärbt durch die Gegend laufen. Das Interesse an Silbernanopartikeln ist trotzdem groß, allerdings wird ein besseres Verständnis über die biologischen Interaktionen benötigt.

Die derzeitige chemische Produktion von AgNPs ist kostenintensiv und benötigt gefährliche, toxische Chemikalien. Es gibt allerdings diverse Mikroorganismen, die in der Lage sind unter Anwesenheit von hohen Metallionenkonzentrationen zu wachsen. Dabei besteht sogar die Möglichkeit Schwermetallionen durch Reduktion in weniger toxische Varianten zu überführen. Geobacter sulfurreducens ist z.B. in der Lage Pd(II) zu Pd(0) zu reduzieren. Das könnte eine Rolle spielen bei der Aufbereitung von Abwässern aus dem Bergbau und der Industrie. Und Shewanella algae ist sogar in der Lage Gold- und magnetische Nanopartikel herzustellen.

Das bringt mich nun endlich zum Zusammenhang zwischen dem extremophilen Bacterium D. radiodurans und AgPNs. Diese indische Arbeitsgruppe hat in ihrer Veröffentlichung im International Journal of Nanomedicine untersucht, inwieweit D. radiodurans in der Lage ist, Silbernanopartikel zu bilden. Das scheint auch in der Tat nicht besonders kompliziert zu sein. Zunächst wurde dazu eine große Menge des Bakteriums hergestellt und diese dann für wenige Stunden mit AgNO3 behandelt. Die Bakterien schreiten dann sofort zur Tat und fangen an, ohne weiteres zutun des Experimentators, besagte Silbernanopartikel zu bilden. Ein erstes Indiz dafür ist die Verfärbung des Kulturmediums von gelb zu rötlich braun.

Durch Bildung von AgNPs verändert sich die Farbe des Kulturmediums doi: 10.2147/IJN.S72888
Credit: Int J Nanomedicine: 2015 Kulkarni et al. doi: 10.2147/IJN.S72888 CC BY-NC 3.0 Durch Bildung von AgNPs verändert sich die Farbe des Kulturmediums

Das allein reicht natürlich nicht um die Anwesenheit der AgNPs ausreichend zu dokumentieren. Besonders schön sind natürlich immer visuelle Nachweise. So wurde hier dann auch durch Elektronenmikroskopie gezeigt, dass tatsächlich Partikel gebildet wurden. Bei dieser Form der Mikroskopie werden beschleunigte Elektronen und nicht Photonen (Licht) als ‘Lichtquelle’ verwendet. Das Auflösungsvermögen, also wie gut kleine Dinge darstellbar sind, wird begrenzt durch die Wellenlänge. Da die verwendeten Elektronen eine viel kleinere Wellenlänge besitzen als Photonen, können so noch 0,1 nm kleine Dinge klar sichtbar gemacht werden. Bei herkömmlichen Lichtmikroskopen liegt die Auflösungsgrenze bei 200 nm. Die durchschnittliche Größe der beobachteten Partikel betrug demnach etwa 17 nm. Damit sind diese Partikel deutlich kleiner als die, die durch andere Mikroorganismen gebildet werden. Der bisher beobachtete Größenbereich lag bei durchschnittlich       10 nm. Das macht die durch D. radiodurans gebildeten Silberpartikel interessant für medizinische Anwendungen durch die größere Oberflächenverfügbarkeit.

Mit einer Vergrößerung von 5000x kann man die gebildeten AgNPs gut erkennen. doi: 10.2147/IJN.S72888
Credit: Int J Nanomedicine: 2015 Kulkarni et al. doi: 10.2147/IJN.S72888 CC BY-NC 3.0 Mit einer Vergrößerung von 5000x kann man die gebildeten AgNPs gut erkennen.

Jetzt wissen wir also immerhin schonmal, dass sich das Medium verfärbt und dass dabei Nanopartikel gebildet werden. Was fehlt, ist die Information darüber, wie diese beobachteten Partikel beschaffen sind. Dazu nutzten die indischen Wissenschaftler verschiedene Spektroskopiemethoden. In der Spektroskopie wird durch die Anwesenheit von Strahlung einer bestimmten Energie auf die Beschaffenheit der untersuchten Substanz geschlossen. Grundlage dafür ist das Bohrsche Atommodell. Nach diesem Modell besteht ein Atom aus einem festen Kern, der von seinen Elektronen umkreist wird.  Die Elektronen befinden sich dabei nicht irgendwo sondern aus spezifischen Bahnen, die alle eine bestimmte Energie haben. Bestrahlt man ein solches Atom mit hoher Energie (1), kann ein Elektron aus seiner festen Bahn herausgeschlagen werden (2). Ein anderes Elektron von höherer Energie schließt diese Lücke (3). Dabei besteht eine Energiedifferenz. Diese wird in Form von Strahlung sichtbar und ist spezifisch für die möglichen Übergänge (4).

Bohrsches Atommodell

Ein einfaches Beispiel kann man als Schulexperiment durchführen. Sprüht man eine kaliumhaltige Lösung in eine Flamme, verfärbt diese sich durch die beschriebenen Mechanismen lila. Hier werden allerdings anspruchsvollere Methoden verwendet. Man erhält dann ein Spektrum, mit Peaks an verschiedenen Wellenlängen. Für die meisten Leute sieht sowas ziemlich nichts sagend aus. Man muss dafür einiges an Know-How mitbringen um diese Dinger richtig lesen zu können. Ich zeige euch trotzdem mal die Auswahl von verschiedenen Spektroskopien aus dem Artikel ohne alles zu erläutern (zu können). Als Beispiel erkläre ich kurz Panel B und C. In Panel B sieht man eine energiedispersive Röntgenspektroskopie. Das ist eine Methode zur Materialanalytik. Dabei wird die Probe mit Röntgenstrahlung einheitlicher Energie bestrahlt. Hier entstehen dann Peaks die spezifisch für bestimmte Elemente sind. Je höher der Peak, desto mehr der Verbindung ist vorhanden. In Panel C wurde untersucht, ob es sich tatsächlich um eine kristalline Struktur handelt. Dabei wird wieder Röntgenstrahlung verwendet. Allerdings wird dann beobachtet, wie sich die Strahlung bei Kontakt mit der Probe beugt. So kann man zeigen, dass die gebildeten Nanopartikel hauptsächlich kubisch sind (Peaks bei 211, 111 und 200). Der Peak bei 103 steht dagegen für hexagonale Strukturen.

doi: 10.2147/IJN.S72888
Credit: Int J Nanomedicine: 2015 Kulkarni et al. doi: 10.2147/IJN.S72888 CC BY-NC 3.0

Durch die verwendeten Methoden konnte also ausreichend gezeigt werden, dass D. radiodurans in der Lage ist in kurzer Zeit kleine, runde Silbernanopartikel zu bilden. Aber haben diese Partikel auch eine biologische Funktion?

Um das zu klären wurden verschiedene Methoden verwendet. Um es kurz zu halten: es konnte einen bakterizide Wirkung auch von Antibiotika-resistenten Bakterien nachgewiesen werden. Außerdem wurde eine Brustkrebs Zelllinie mit den AgNPs behandelt. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Zellen mit zunehmender Konzentration und Expositionszeit immer schlechter aussahen. Auch im Proliferationsassay konnte gezeigt werden, dass die Zellen abstarben. Dabei lag die lethale Dosis niedriger als bei AgNPs, die durch andere Mikroorganismen produziert wurden.

Mit ansteigender Konzentration von AgNPs (B-E) sehen die Zellen immer schlechter aus.
Credit: Int J Nanomedicine: 2015 Kulkarni et al. doi: 10.2147/IJN.S72888 CC BY-NC 3.0 Mit ansteigender Konzentration von AgNPs (B-E) sehen die Zellen immer schlechter aus.

Das liegt vermutlich an der Größe der Nanopartikel. Je kleiner die Partikel, desto einfacher können sie in die Zellen eintreten und sind somit effizienter als größere Partikel. Man benötigt also potenziell geringere Mengen. Das könnte interessant sein, falls man plant seine Patienten nicht blau anlaufen zu lassen.

Vielleicht sehen wir die silbernen Nanopartikel ja in einer klinischen Studie mal wieder. Bis dahin werde ich versuchen mir an den Extremophilen ein Vorbild zu nehmen und der Hitze harren, die da komme.

 

 

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Claudia Davenport

Claudia Davenport hat in Potsdam und Hannover Biochemie studiert und promoviert mittlerweile über Insulin-produziernende Surrogatzellen aus embryonalen Stammzellen zur Behandlung des Diabetes Typ 1. Wenn sie gerade mal nicht im Labor am Durchbruch arbeitet, der die Welt verändern wird, ist sie gerne im Grünen, radelt durch die Gegend oder geht Kaffee trinken.

2 Kommentare

  1. Mir ist Nanosilber suspekt. Es mag seine Vorzüge für medizinische Anwendungen haben aber in Kleidung und Kosmetika ist es unnötig, vielleicht gefährlich. Ob es wirklich sinnvoll ist gegen Krebszellen außerhalb der Kulturschale?

    • In medizinischen Anwendungen wird Silber hauptsächlich wegen seiner bakteriziden Wirkung genutzt, z.B. in Form von Pflastern oder Wundauflagen. Bei großflächigen Wunden macht das auf jeden Fall Sinn. Nansilber ha eine größere Oberfläche, wodurch man insegsamt weniger Silber benötigt. Andere Anwendungen bestehen im Bereich der Elektrotechnik. Wo Silber in Kleidungen verwendet wird, weiß ich nicht. In Socken gegen Geruchsbildung habe ich mal gelesen, allerdings wäscht sich Silber wohl aus dem Material aus und dann hat man es im Abwasser und am Ende sicher in den Gewässern. Und da wird es wohl das Mikrobiom durcheinander wirbeln.
      Das mit den Krebszellen fand ich im Artikel auch sehr schwammig. Es fehlt auf jeden Fall eine Kontrolle mit einer normalen Zelllinie. Ohne diese Kontrolle ist die Aussage, dass Krebszellen absterben nicht wirklich zulässig. Aber wer weiß, vielleicht wurde das mit dem Krebszellen im Reviewprozess gefordert.

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