Team entdeckt neues Vehikel für Antibiotikaresistenz

Antibiotikaresistenzen sind weltweit ein bedeutendes und wachsendes medizinisches Problem. Forscher des Marine Biological Laboratory (MBL) und ihre Mitarbeiter haben eine neue genetische Anordnung entdeckt, die einem im menschlichen Darm häufig vorkommenden Bakterium, Bacteroides fragilis, dabei helfen könnte, sich vor Tetracyclin, einem weit verbreiteten Antibiotikum, zu schützen.

Obwohl diese Erkenntnisse nicht direkt zu neuen Methoden zur Bekämpfung tetracyclinresistenter Bakterien führen werden, haben Forscher neuartige genetische Anordnungen entdeckt, die Antibiotikaresistenzen verleihen. Ein solches Verständnis könnte dazu beitragen, neue Wege zu entwickeln, um die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzgenen durch genetische Manipulation oder andere Mittel einzudämmen.

Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht mBio von den MBL-Wissenschaftlern Joseph Vineis, Mitchell Sogin und Blair Paul sowie Kollegen am MBL, dem Argonne National Laboratory und der University of Chicago.

Das untersuchte Bakterium, Bacteroides fragilis, wurde von einem Patienten mit Colitis ulcerosa gewonnen, wo es während Entzündungsphasen reichlich vorhanden war. Das Team musste eine große Anzahl von Proben von Patienten mit entzündlichen Darmerkrankungen analysieren, die zur Linderung der Entzündung chirurgisch behandelt worden waren.

Diese Proben wurden am MBL mithilfe der Shotgun-Metagenomik untersucht, die Sequenzen für das gesamte genetische Material einer gesamten Gemeinschaft mikrobieller Zellen erzeugt. Es erleichtert auch die Kultivierung gemeinschaftlicher Bakterienstämme und liefert die notwendigen Daten, um die Aktivität von Tetracyclin-Resistenzgenen während des Wachstums in Gegenwart von Tetracyclin zu beobachten. (Als sie mit dieser Arbeit begannen, steckte laut Vineis „die Fähigkeit, Genome aus metagenomischen Daten zu rekonstruieren, auf diesem Gebiet noch in den Kinderschuhen. Es war ein neuartiger Ansatz, aber jetzt ist er flüssig.“)

„Als wir uns die Daten ansahen“, sagt Vineis, „gab es ein sehr starkes Signal“, das hohe Kopienzahlen bestimmter Regionen des Bakteriengenoms zeigte. Eine dieser Regionen, die viele Gene umfasste, war in der Probe „sehr häufig“ und später konnten sie feststellen, „dass diese bestimmte Region mit hoher Kopienzahl eine Tetracyclinresistenz enthielt … Also haben wir weiter gegraben.“

Diese Abschnitte des Genoms mit hoher Kopienzahl enthielten DNA-Fragmente, die sich im Genom bewegen oder sogar zu einem anderen Genom springen können. Diese mobilen genetischen Elemente, sogenannte Transposons, sind „wichtige Möglichkeiten für Bakterien, Anpassungen an die Umwelt zu entwickeln, ohne sie selbst völlig neu erfinden zu müssen“, erklärt Vineis. Und im menschlichen Darm, wo sich ständig viele Arten von Darmbakterien in unmittelbarer Nähe befinden, „ist das Austauschpotential sehr hoch“, sagt er, und die Rate erhöht sich bei Entzündungen.

Einen solchen Austausch genetischen Materials zwischen verschiedenen Arten nennt man horizontalen Transfer. Blair Paul, wissenschaftlicher Mitarbeiter am MBL, sagt: „Wir glauben, dass diese Transposons tatsächlich ein Schlüsselvehikel für den horizontalen Gentransfer sind.“

In diesem Fall erkennen die Bakterien offenbar das Vorhandensein von Tetracyclin in der Umgebung und starten „eine ganze Kaskade“ der Produktion eines Transposons, das das Resistenzgen enthält, erklärt Vineis.

Sie fanden heraus, dass der Teil des Transposons, der das Resistenzgen enthält, in zwei verschiedenen Formen innerhalb desselben Genoms vorkam: manchmal in seiner normalen linearen Form und manchmal zu einem Kreis gewunden. Beide Formen erscheinen gleichzeitig im Genom von Bacteroides fragilis, aber die lineare Form enthält ein einzigartiges genomisches Insert in der DNA-Region, das die Mobilisierungsmaschinerie in anderen Zellen kodiert.

„So etwas hat es unseres Wissens noch nie zuvor gegeben“, sagt Paul, „dass diese besondere Art von Transposon eine verstärkte Subregion aufweist. Und das kommt bei Bakterien vor, die mit einer Entzündung einhergehen.“

Eine erhöhte Expression dieser Gengruppe ist möglicherweise mit dem Erfolg von Bacteroides fragilis bei Entzündungen verbunden, obwohl der Zusammenhang noch nicht bewiesen ist und weiterer Untersuchungen bedarf. Paul sagt jedoch, dass die Ergebnisse „neue Fragen über die Rolle des Gentransfers für die menschliche Gesundheit aufwerfen, aber auch darüber, wie diese Transposons kontrolliert werden und wie sie sich im Laufe der Zeit entwickeln können.“

„Diese Entdeckung wird unser Verständnis der Welt der Antibiotikaresistenz nicht verändern, aber es handelt sich um einen neuartigen Mechanismus, nach dem wir zumindest suchen können“, sagt Vineis. „Es gibt viele Angriffe und Abwehrmaßnahmen in der mikrobiellen Welt, von denen wir uns nicht einmal vollständig bewusst sind.“