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Antibiotika-Resistenz: Krankheitserreger beim Lernen stören

Für Bakterien ist die Umwelt eine große Tauschbörse, in der sie sich je nach Bedarf neue Strategien fürs Überleben zusammensuchen können. Wie die Mikroorganismen Gene für Antibiotika-Resistenz untereinander austauschen, erforscht die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Elisabeth Grohmann von der Universitätsklinik Freiburg. In einem Projekt in zwei Krankenhäusern in Mexico City untersuchen die Molekularbiologen außerdem, ob Krankheitserreger, Resistenzgene und Rückstände von Antibiotika ins Abwasser und in den landwirtschaftlichen Wasserkreislauf gelangen, um dort unter Umständen zu einer Gefahr zu werden.

Sie sind der Schrecken jeder Intensivstation – multiresistente Keime. Kaum eines der heute von Klinikern eingesetzten Antibiotika kann noch etwas gegen diese Krankheitserreger ausrichten, denn sie haben sich molekular an jeden Angriff seitens der Pharmaindustrie angepasst, und zwar innerhalb von kürzester Zeit. Lateraler Gentransfer heißt das Lern-Phänomen, das dafür verantwortlich ist. Denn Bakterien können Gene untereinander austauschen. Und so wird eine erfolgreiche Erfindung, die von einer Zelle im Kampf gegen Antibiotika gemacht wurde, sofort an andere Mikroorganismen weitergegeben. „Uns interessiert zum einen, wie dieser Austausch von Resistenzgenen auf der molekularen Ebene abläuft und ob er unter Umständen gestört werden könnte“, sagt Prof. Dr. Elisabeth Grohmann von der Abteilung für Infektiologie der Universitätsklinik Freiburg. „Zum anderen untersuchen wir, wie sich solche Resistenzen über die Umwelt ausbreiten.“

Proteinkomplex vermittelt Austausch

Das in Krankenhäusern häufig auftretende Bakterium Enterococcus faecalis im Elektronenmikroskop © Janice Haney Carr/CDC/Pete Wardell/www.wikipedia.org

Der Austausch von Genen zwischen Bakterienzellen wird in vielen Fällen über das sogenannte Typ-IV-Sekretionssystem vermittelt. Dabei handelt es sich um einen großen Proteinkomplex in der Hülle eines Mikroorganismus, bestehend aus je nach Art zwischen zehn und fünfzehn verschiedenen Proteinen, die gemeinsam verschiedene Schritte des Transfers vermitteln. Docken zwei Zellen aneinander an, so wird ein genetisches Element (in den meisten Fällen ein als Plasmid bezeichneter Ring aus DNA, auf dem ein oder mehrere Gene sitzen können) aus einer Zelle über diesen Komplex in die andere Zelle übertragen, wo es sich dann dauerhaft als Zellbestandteil etabliert. Es kann dann vom Empfänger ganz normal abgelesen und in ein Protein übersetzt oder an Tochterzellen weitergegeben werden.

Grohmann und ihr Team haben schon einige der beteiligten Enzyme bei ihren Modellorganismen der Gattungen Enterococcus oder Staphylococcus genauer untersucht. Außerdem sind sie in ihrem Labor in der Lage, Substanzdatenbanken zu screenen auf der Suche nach Inhibitoren für einzelne Bestandteile der bakteriellen Sekretionssysteme. „Für die klinische Anwendung wäre es sehr gut, Stoffe zu finden, die den Transfer von Resistenzgenen hemmen“, sagt die aus Graz stammende Forscherin.

Das Abwasser von Mexico City wird in das nah gelegene Mezquital-Tal geleitet und versickert dort entweder im Boden, wird zur landwirtschaftlichen Bewässerung verwendet oder als Trinkwasser aufbearbeitet. © Prof. Dr. Elisabeth Grohmann

Auf der anderen Seite geht es Grohmann und ihrem Team darum, die globale Verbreitung von Antibiotika-Resistenzen zu bremsen. Denn schnell gelangen multiresistente Keime oder Antibiotika-Rückstände aus einem Krankenhaus in die Umwelt, etwa über das Abwassersystem. Und dort können Bakterien dann ungehindert die neuesten Abwehrstrategien untereinander austauschen. Von der Umwelt wiederum gelangen sie dann zum Menschen zurück, etwa über das Trinkwasser oder über Verunreinigungen im Boden. Besonders problematisch ist dies in Ländern, die über kein ausgeklügeltes Abwasserreinigungsmanagement verfügen, wie etwa Mexico. Grohmann erforscht derzeit mit Partnern der Universität Bonn und der Universität von Mexico City den Weg von multiresistenten Keimen und Antibiotika-Rückständen aus zwei großen Krankenhäusern in der Millionenmetropole in die Umwelt und wieder zurück.

Von der Intensivstation ins Trinkwasser?

In Mexico City wird das Abwasser der gesamten Stadt ungeklärt in das siebzig Kilometer weit entfernte Mezquital-Tal transportiert, wo es dann in den Boden versickert oder nach einer simplen Chlor-Behandlung als Trinkwasser in den Dörfern zur Verfügung steht. Landwirte verwenden es für die Bewässerung ihrer Felder, teilweise zapfen sie es sogar direkt aus den Kanälen ab, noch vor der Chlor-Behandlung. Das Tal ist eine grüne Oase in der Wüste, das ungeklärte Abwasser ist ein hervorragender Dünger. Das Grundwasser im Boden stellt allerdings wiederum ein potenzielles Trinkwasser-Reservoir für Mexico City dar. Es soll eines Tages in die Stadt zurückgeleitet werden, unter anderem auch in die zwei von Grohmann und ihrem Team untersuchten Krankenhäuser, aber auch in private Haushalte, in Schulen und Kindergärten, überallhin.

„Gelangen multiresistente Keime oder Antibiotika-Rückstände von den Intensivstationen in den Krankenhäusern ins Abwasser und ins Mezquital-Tal?“, fragt Grohmann. „Und was passiert mit ihnen im dortigen Boden?“ Die Horrorvorstellung: Die Keime lernen auf den Intensivstationen, den Angriff der Antibiotika zu überleben. Und mit dieser Kompetenz ausgestattet werden sie dann über das Abwassersystem abgeleitet und im Boden des Mezquital-Tals verteilt. Grohmann und Co haben mit Methoden der qantitativen PCR solche Keime im Abwasser nachgewiesen. Immerhin aber konnten sie in ersten Versuchen feststellen, dass die mit Chlor behandelten Wasserproben im Mezquital-Tal keine Keime oder Resistenzgene mehr enthielten und somit zumindest das Trinkwasser in den Dörfern wahrscheinlich sauber ist.

Genaustausch im Weltall?

Ein Biofilm aus Legionellen im Scanning-Elektronenmikroskop auf einer Oberfläche, die nicht mit Biofilm-Inhibitoren behandelt worden ist. © Prof. Dr. Elisabeth Grohmann

Momentan sind die Forscher dabei, einen Nachfolgeantrag für die Fortführung des Projektes bei der DFG zu stellen, denn sie wollen jetzt genauer hinschauen: Was passiert mit dem ungeklärten Abwasser im landwirtschaftlich genutzten Boden des Mezquital-Tals? Sind multiresistente Keime oder Antibiotika-Rückstände im dort angebauten Mais oder im Salat zu finden? Außerdem stehen den Forschern einzigartige Möglichkeiten zur Verfügung im Hinblick auf die zeitliche Entwicklung der Kontamination im Mezquital-Tal, denn von vielen Feldern weiß man genau, wie lange sie schon mit dem Abwasser aus Mexico City bewässert wurden, bis auf hundert Jahre zurück. Einige andere wurden hingegen seit jeher nur mit Regenwasser bewässert. „Wir wollen jetzt herausfinden, wie sich eine Kontamination über so lange Zeiträume auswirkt und welche Unterschiede es gibt zu Feldern, die nie mit dem kontaminierten Wasser in Berührung kamen“, sagt Grohmann.

Übrigens ist Mexico City nicht der exotischste Ort, den Grohmann und ihre Mitarbeiter im Blick haben, wenn es um die Bekämpfung von bakteriellen Antibiotika-Resistenzen geht. In einem gemeinsamen Projekt mit der Internationalen Raumstation (ISS) untersuchen die Forscher bakterielle Biofilme, wie sie in empfindlichen Bauteilen der Station wie etwa dem Abluftsystem zu finden sind. „Im engen und gut geschützten Habitat eines Biofilms sind Bakterien noch besser gegen Antibiotika und/oder Desinfektionsmittel geschützt als wenn sie frei im Wasser schwimmen“, sagt die Forscherin. „Sie können dort außerdem noch leichter Gene austauschen.“ Deshalb sind Grohmann und Co in ihrem Labor auch auf der Suche nach Substanzen, die die Bildung von Biofilmen in Leitungen oder Innenoberflächen der Raumstation, aber auch zum Beispiel auf Oberflächen von Implantaten oder Prothesen im klinischen Bereich stören können.

Glossar

  • Ein Antibiotikum ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), das in geringen Konzentrationen andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum hemmt.
  • Antibiotika-Resistenz ist die Fähigkeit von Mikroorganismen, durch Synthese von bestimmten Stoffen die Wirkung von Antibiotika aufzuheben (z. B. das Enzym Penicillinase spaltet Penicillin und macht es damit unwirksam).
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Ein Gentransfer besteht in der Übertragung eines Gens in Empfängerzellen.
  • Mit Kompetenz im biologischen Sinn ist die Eigenschaft eines Bakteriums gemeint, DNA von außen aufnehmen zu können.
  • Die PCR oder Polymerase-Kettenreaktion ist eine molekularbiologische Methode, mit der kurze DNA-Abschnitte auf einfache Weise vervielfältigt werden. Man benötigt dazu lediglich die DNA-Vorlage, ein Enzym namens DNA-Polymerase, das die Vervielfältigung katalysiert, Ansatzstücke für die Polymerase, die sog. Primer, und die DNA-Bausteine, die sog. Desoxynukleosidtriphosphate. Gesteuert wird die Vervielfältigung über mehrere Zyklen von Temperaturerhöhungen und -senkungen.
  • Ein Plasmid ist ein extrachromosomales, ringförmiges DNA-Molekül, das bei Bakterien und Hefen vorkommt und sich unabhängig vom Hauptchromosom vermehren kann. Häufig tragen Plasmide Gene für Resistenzfaktoren (z. B. gegen Antibiotika), die den Trägern einen Selektionsvorteil vermitteln. Wenn die Gegenwart eines Plasmids für ein Bakterium keinen Überlebensvorteil bietet, dann verliert es dieses mit der Zeit. Plasmide mit Transfergenen können von einem Bakterium auf ein anderes übertragen werden.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Resistenzgene sind Gene, die vor allem bei Bakterien und Hefen auf Plasmiden lokalisiert sind und für Faktoren kodieren, die die Zellen, z. B. gegenüber Antibiotika oder Schwermetallen, widerstandsfähig machen. In der Mikrobiologie und der Gentechnik werden häufig Antibiotikaresistenzgene als selektive Marker für Vektoren verwendet, um deren Anwesenheit in einer Zelle zu überprüfen.
  • Inhibitoren sind Stoffe, die chemische oder biologische Reaktionen verlangsamen oder verhindern.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Ein Biofilm ist eine dünne Schleimschicht, die aus Mikroorganismen besteht und sich auf Oberflächen bildet, die in Kontakt mit Wasser stehen. Ein gutes Beispiel dafür ist der Zahnbelag.

Glossar

  • Ein Antibiotikum ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), das in geringen Konzentrationen andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum hemmt.
  • Antibiotika-Resistenz ist die Fähigkeit von Mikroorganismen, durch Synthese von bestimmten Stoffen die Wirkung von Antibiotika aufzuheben (z. B. das Enzym Penicillinase spaltet Penicillin und macht es damit unwirksam).
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Ein Gentransfer besteht in der Übertragung eines Gens in Empfängerzellen.
  • Mit Kompetenz im biologischen Sinn ist die Eigenschaft eines Bakteriums gemeint, DNA von außen aufnehmen zu können.
  • Die PCR oder Polymerase-Kettenreaktion ist eine molekularbiologische Methode, mit der kurze DNA-Abschnitte auf einfache Weise vervielfältigt werden. Man benötigt dazu lediglich die DNA-Vorlage, ein Enzym namens DNA-Polymerase, das die Vervielfältigung katalysiert, Ansatzstücke für die Polymerase, die sog. Primer, und die DNA-Bausteine, die sog. Desoxynukleosidtriphosphate. Gesteuert wird die Vervielfältigung über mehrere Zyklen von Temperaturerhöhungen und -senkungen.
  • Ein Plasmid ist ein extrachromosomales, ringförmiges DNA-Molekül, das bei Bakterien und Hefen vorkommt und sich unabhängig vom Hauptchromosom vermehren kann. Häufig tragen Plasmide Gene für Resistenzfaktoren (z. B. gegen Antibiotika), die den Trägern einen Selektionsvorteil vermitteln. Wenn die Gegenwart eines Plasmids für ein Bakterium keinen Überlebensvorteil bietet, dann verliert es dieses mit der Zeit. Plasmide mit Transfergenen können von einem Bakterium auf ein anderes übertragen werden.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Resistenzgene sind Gene, die vor allem bei Bakterien und Hefen auf Plasmiden lokalisiert sind und für Faktoren kodieren, die die Zellen, z. B. gegenüber Antibiotika oder Schwermetallen, widerstandsfähig machen. In der Mikrobiologie und der Gentechnik werden häufig Antibiotikaresistenzgene als selektive Marker für Vektoren verwendet, um deren Anwesenheit in einer Zelle zu überprüfen.
  • Screening kommt aus dem Englischen und bedeutet Durchsiebung, Rasterung. Man versteht darunter ein systematisches Testverfahren, das eingesetzt wird, um innerhalb einer großen Anzahl von Proben oder Personen bestimmte Eigenschaften zu identifizieren. In der Molekularbiologie lässt sich so z.B. ein gewünschter Klon aus einer genomischen Bank herausfiltern.
  • Staphylococcus aureus ist ein häufig in der Umwelt und auch auf Haut und Schleimhäuten vorkommendes kugelförmiges, unbewegliches Bakterium. Gelangt Staphylococcus aureus z.B. durch ein geschwächtes Immunsystem in den Körper, verursacht es dort häufig eitrige Infektionen, Lebensmittelvergiftungen und Lungenentzündungen, die auch tödlich enden können.
  • Inhibitoren sind Stoffe, die chemische oder biologische Reaktionen verlangsamen oder verhindern.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Ein Biofilm ist eine dünne Schleimschicht, die aus Mikroorganismen besteht und sich auf Oberflächen bildet, die in Kontakt mit Wasser stehen. Ein gutes Beispiel dafür ist der Zahnbelag.
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