Biomedizinische Ingenieure der Duke University haben einen wichtigen Zusammenhang zwischen der Verbreitung von Antibiotikaresistenzgenen und der Entwicklung von Resistenzen gegen neue Medikamente bei bestimmten Krankheitserregern aufgedeckt.
Die Forschung zeigt, dass Bakterien, die höheren Antibiotikakonzentrationen ausgesetzt sind, häufig mehrere identische Kopien schützender Antibiotikaresistenzgene aufweisen. Diese duplizierten Resistenzgene sind häufig mit „springenden Genen“, sogenannten Transposons, verknüpft, die sich von Stamm zu Stamm bewegen können. Dies stellt nicht nur einen Mechanismus für die Ausbreitung von Resistenzen dar, sondern das Vorhandensein mehrerer Kopien eines Resistenzgens kann der Evolution auch einen Hebel bieten, um Resistenzen gegen neue Arten von Arzneimitteln zu erzeugen.
Die Ergebnisse erscheinen im Tagebuch Naturkommunikation.
Frühere Arbeiten des Lingchong You-Labors haben gezeigt, dass 25 % der bakteriellen Krankheitserreger in der Lage sind, durch horizontalen Gentransfer Antibiotikaresistenzen zu verbreiten. Sie haben auch gezeigt, dass die Anwesenheit von Antibiotika die Geschwindigkeit des horizontalen Gentransfers nicht beschleunigt, es muss also etwas anderes passieren, das die Ausbreitung der Gene vorantreibt.
„Bakterien entwickeln sich unter vielen Belastungen ständig weiter, und die erhöhte Verdoppelung bestimmter Gene ist wie ein Fingerabdruck am Tatort, der es uns ermöglicht zu sehen, welche Arten von Funktionen sich wirklich schnell entwickeln“, sagte Rohan Maddamsetti, ein Postdoktorand, der im Labor arbeitet von Lingchong You, dem James L. Meriam Distinguished Professor für Biomedizinische Technik an der Duke. „Wir stellten die Hypothese auf, dass Bakterien, die von Antibiotika angegriffen werden, oft über mehrere Kopien schützender Resistenzgene verfügen, aber bis vor Kurzem verfügten wir nicht über die Technologie, um den entscheidenden Beweis zu finden.“
Herkömmliche DNA-Lesetechnologien kopieren kurze Genausschnitte und zählen sie zusammen. Dadurch ist es schwierig zu bestimmen, ob tatsächlich eine große Anzahl spezifischer Sequenzen in der Probe vorhanden ist oder ob diese durch den Lesevorgang künstlich verstärkt werden. In den letzten fünf Jahren ist jedoch die vollständige Genomsequenzierung mit Long-Read-Technologie immer häufiger vorgekommen, was es Forschern ermöglicht, ein hohes Maß an genetischen Wiederholungen zu erkennen.
In der Studie zählten Maddamsetti und Co-Autoren die Wiederholungen von Resistenzgenen, die in Proben bakterieller Krankheitserreger aus verschiedenen Umgebungen vorhanden waren. Sie fanden heraus, dass Menschen, die an Orten mit einem höheren Antibiotikaeinsatz leben – Menschen und Nutztiere –, über mehrere identische Kopien von Antibiotikaresistenzgenen verfügen, während solche Duplikationen bei Bakterien, die in Wildpflanzen, Tieren, im Boden und im Wasser leben, selten sind.
„Die meisten Bakterien verfügen über einige grundlegende Antibiotikaresistenzgene, aber wir haben selten gesehen, dass sie in der Natur dupliziert sind“, sagten Sie. „Im Gegensatz dazu haben wir viele Doppelungen bei Menschen und Nutztieren gesehen, bei denen wir sie wahrscheinlich mit Antibiotika einhämmern.“
Die Forscher fanden außerdem heraus, dass das Ausmaß der Resistenzduplikation in Proben aus klinischen Datensätzen, in denen Patienten wahrscheinlich Antibiotika einnehmen, sogar noch höher war. Das sei ein wichtiger Punkt, sagen sie, denn die zunehmende Vervielfältigung von Antibiotikaresistenzgenen erhöhe auch die Wahrscheinlichkeit, dass Bakterien Resistenzen gegen neue Behandlungsarten entwickeln.
„Die ständige Erstellung von Kopien von Genen für die Resistenz gegen Penicillin könnte beispielsweise der erste Schritt sein, um eine neue Art von Medikament abbauen zu können“, sagte Maddamsetti. „Es gibt der Evolution mehr Würfel, um eine spezielle Mutation zu finden.“
„Jeder ist sich darüber im Klaren, dass es eine wachsende Krise der Antibiotikaresistenz gibt und die reflexartige Reaktion darin besteht, neue Antibiotika zu entwickeln“, fügten Sie hinzu. „Aber wir stellen immer wieder fest, dass wir diese Krise möglicherweise viel effektiver bewältigen können, als nur neue Medikamente zu entwickeln, wenn wir herausfinden, wie wir Antibiotika effizienter und effektiver einsetzen können.“
„Die meisten Antibiotika, die in den Vereinigten Staaten verwendet werden, werden nicht bei Patienten eingesetzt, sondern in der Landwirtschaft“, fügten Sie hinzu. „Das ist also eine besonders wichtige Botschaft für die Viehwirtschaft, die ein wesentlicher Grund dafür ist, dass Antibiotikaresistenzen immer weiter verbreitet sind und immer schwerwiegender werden.“
Mehr Informationen:
Rohan Maddamsetti et al, Duplizierte Antibiotikaresistenzgene zeigen fortlaufende Selektion und horizontalen Gentransfer in Bakterien, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-45638-9