Die Entdeckung neuer Bakterientoxine könnte der Schlüssel zur Bekämpfung von Infektionen sein

Forscher haben eine neue Gruppe bakterieller Toxine entdeckt, die schädliche Bakterien und Pilze abtöten können und so die Tür für potenzielle neue Behandlungsmethoden für Infektionen öffnen. Diese Toxine, die in über 100.000 mikrobiellen Genomen vorkommen, können die Zellen von Bakterien und Pilzen zerstören, ohne andere Organismen zu schädigen.

Die Studie, veröffentlicht in Naturmikrobiologiehat herausgefunden, wie einige Bakterien diese Toxine nutzen, um mit anderen Mikroben zu konkurrieren, und die Ergebnisse könnten zu neuen Wegen zur Bekämpfung von Infektionen führen, insbesondere da Antibiotikaresistenzen zu einem wachsenden Problem werden.

Die Arbeit wurde von den Forschern der Hebräischen Universität Dr. Asaf Levy vom Institut für Umweltwissenschaften, Dr. Neta Schlezinger von der Koret School of Veterinary Medicine und Dr . Jacob Klein und Meital Oren-Suissa haben zusammen mit Prof. Herbert Schmidt von der Universität Hohenheim ein neues Arsenal bakterieller Toxine entdeckt, die das Potenzial haben, infektiöse Krankheiten bei Menschen und Pflanzen zu bekämpfen.

Diese Toxine, die in den Genomen bestimmter Bakterien kodiert sind, weisen starke antibakterielle und antimykotische Eigenschaften auf und bieten aufregende neue Möglichkeiten für klinische und biotechnologische Anwendungen.

Mikrobielle Konkurrenz ist ein natürliches Phänomen, und Bakterien haben ausgefeilte Methoden, einschließlich Toxinen, entwickelt, um Konkurrenten auszuschalten. Die bekanntesten Beispiele für Naturstoffe, die in der Natur im Wettbewerb eingesetzt werden, sind Antibiotika, die von Bakterien und Pilzen produziert werden.

In dieser Studie entwickelte Dr. Levys Team einen innovativen Computeransatz, um bisher unentdeckte Toxinproteindomänen mit einer Länge von 100–150 Aminosäuren in über 105.000 mikrobiellen Genomen zu identifizieren. Diese Proteintoxine, sogenannte polymorphe Toxine, spielen eine entscheidende Rolle bei der mikrobiellen Kriegsführung, indem sie konkurrierende Mikroorganismen in verschiedenen Ökosystemen angreifen und töten.

Das Forschungsteam validierte erfolgreich neun neu entdeckte Toxine, die jeweils eine große evolutionär konservierte Familie darstellen, und zeigte ihre Fähigkeit, sowohl bei Escherichia coli als auch bei Saccharomyces cerevisiae den Zelltod zu verursachen, wenn sie in diesen Modellorganismen exprimiert werden. Besonders hervorzuheben ist, dass fünf Antitoxin-Gene – auch Immungene genannt – identifiziert wurden, die die Bakterien, die die Toxine produzieren, vor Selbstzerstörung schützen.

Es ist interessant festzustellen, dass die Toxine eine starke antimykotische Wirkung gegen eine Reihe pathogener Pilze aufweisen, während bestimmte Wirbellose und Makrophagen unbeeinträchtigt bleiben. Die experimentellen Ergebnisse der Studie legen nahe, dass diese Toxine in erster Linie als effiziente Enzyme wirken, die auf wesentliche zelluläre Prozesse wie die Zellmembran, die DNA oder die Zellteilung abzielen. Die Strukturanalyse zweier Toxin-Immunitätsprotein-Komplexe bestätigte außerdem, dass einige dieser Toxine über DNase-Aktivität verfügen, die DNA in Zielzellen abbauen kann.

Bemerkenswerterweise zeigt die Struktur, dass das Toxin an seiner DNA-Bindungsstelle positiv geladen ist, um die negativ geladene DNA zu binden, wohingegen das Antitoxin-Protein negativ geladen ist, um die Bindung des Toxins an die Ziel-DNA zu verhindern.

„Unsere Ergebnisse erweitern unser Verständnis darüber, wie Bakterien Toxine im Wettbewerb mit anderen Mikroben nutzen, und bieten spannende Möglichkeiten für die zukünftige Forschung zu dringend benötigten antimikrobiellen Wirkstoffen gegen menschliche und pflanzliche bakterielle und pilzliche Krankheitserreger“, sagte Dr. Levy. „Das Potenzial dieser Toxine als Grundlage für neue klinische Behandlungen oder biotechnologische Innovationen ist besonders spannend.“

Diese Forschung erweitert nicht nur das Wissen über mikrobielle Toxine, sondern wirft auch Licht auf deren potenziellen therapeutischen Einsatz. Die Entdeckung des Teams könnte den Weg für neuartige antimikrobielle Strategien ebnen, insbesondere da die Welt mit der Zunahme antibiotikaresistenter Krankheitserreger zu kämpfen hat.

Die Studie hat weitreichende Auswirkungen sowohl auf das Verständnis mikrobieller Wechselwirkungen in verschiedenen Umgebungen als auch auf die Entwicklung antimikrobieller Mittel der nächsten Generation. Durch die Aufdeckung der Mechanismen, durch die diese Toxine wirken, bietet die Forschung Hoffnung auf neue Behandlungsmethoden im laufenden Kampf gegen bakterielle und Pilzinfektionen.