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Aufwecken und abtöten: Wie antibiotikaresistente Bakterien mit Sauerstoff unschädlich gemacht werden

Wenn wir von antibiotikaresistenten Bakterien hören, stellen sich viele von uns eine Art Superbakterium vor, dass sich ganz plötzlich angepasst hat und nun schwer zu behandeln ist. Es gibt jedoch noch ein weiteres, weniger bekanntes Szenario: Bakterien, die ihre Aktivität einstellen, sodass sie der Wirkung der Antibiotika entgehen können. Letztere waren Forschungsgegenstand der Projekts BIO-NMR, in dem ein Weg gefunden wurde, sie wieder zu aktivieren und anschließend abzutöten.
Aufwecken und abtöten: Wie antibiotikaresistente Bakterien mit Sauerstoff unschädlich gemacht werden
„Antibiotika können Bakterien nur abtöten, wenn diese sich aktiv vermehren und teilen“, erläutert Thomas K. Wood, Professor des Stiftungslehrstuhls für Chemieingenieurwesen und Biotechnologie der Pennsylvania State University. „Umgebungsbedingte Stressfaktoren lösen bei den Bakterien jedoch oft einen Mechanismus aus, durch den ein Toxin erzeugt wird, das die Zelle in eine Art Ruhemodus versetzt und so eine Antibiotikaresistenz hervorruft.“ Solchen biofilmbildenden Bakterien ist daher schwer beizukommen.

Ein wichtiges Beispiel stellen einige im Magen-Darm-Trakt lebende Mikroben dar. Durch Galle können sie zwar eigentlich abgetötet werden, jedoch verteidigen sie sich, indem sie ein Toxin (ein Protein) bilden, durch das sie inaktiv werden. Sobald in ihrer Umgebung keine Galle mehr vorhanden ist, produzieren die Bakterien ein weiteres Protein, welches das vorherige zersetzt, und sie erwachen wieder zum Leben.

Im Rahmen des EU-geförderten Projekts BIO-NMR (NMR for Structural Biology), in dem europäische Ressourcen für Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) gebündelt werden, wurden Forschungsarbeiten mitfinanziert, durch die eine Möglichkeit gefunden werden soll, die Bildung dieses Toxins zu unterbinden. Die Forscher des international zusammengesetzten Teams, das auch durch das spanische MINECO-Projekt und das Army Research Laboratory unterstützt wurde, konnten tatsächlich das erste in einem Biofilm funktionierende Toxin-Antitoxin-System charakterisieren, und stellten fest, dass es von Sauerstoff abhängig ist.

Forscher am NMR Laboratory der Universität Barcelona führten diese Charakterisierung auf molekularer und atomarer Ebene durch. Bei Untersuchung des Kolibakteriums fanden sie heraus, dass die Struktur des Antitoxins Kanäle aufweist, die gerade ausreichend groß sind, um für Sauerstoff durchlässig zu sein, und dass die Funktion des Antitoxins sogar von diesem Umstand abhängig ist. Im Toxin-Antitoxin-System „Hha-TomB“ neutralisiert das Antitoxin das Toxin durch Oxidation, um das Bakterium aufzuwecken.

Das bedeutet, dass das Bakterium möglicherweise auch durch eine zusätzliche Sauerstoffzufuhr von außen reaktiviert und für Antibiotika anfällig gemacht werden könnte. Die Forscher stellten fest, dass bereits zehnprozentiger Sauerstoff ausreicht, um die Bakterien an den Rändern des Biofilms zu aktivieren. Dies könnte dazu führen, den Biofilm aufzubrechen und aufzulösen, sodass die Bakterien im Inneren ungeschützt sind.

Wood weist auf die Bedeutung dieses Ergebnisses für die Entwicklung besserer Antibiotika hin. „Wenn wir das Toxin-Antitoxin-System auf molekularer oder atomarer Ebene verstehen, können bessere Antibiotika entwickelt werden“, sagte er. „Wir gehen davon aus, dass solche Systeme für die Physiologie aller Bakterien grundlegend sind. Wir hoffen, nun feststellen zu können, auf welche Weise sie die Antibiotika überleben können.“

Weitere Informationen:
Projektwebsite

Quelle: Gestützt auf eine Pressemitteilung der Pennsylvania State University

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