Darmbakterien tauschen arzneimittelresistente DNA aus und bilden leichter als erwartet infektiöse Biofilme.
Die Entdeckung zeigt, warum es so schwierig sein kann, arzneimittelresistente Bakterien zu bekämpfen, bietet aber einen möglichen Weg, um das Problem anzugehen. Die Superpolymer-Strukturen, die Bakterien zur Übertragung von Genen verwenden, könnten auch für die präzise Arzneimittelabgabe in der Medizin der Zukunft genutzt werden.
Darmbakterien bilden extrazelluläre Anhängsel, sogenannte F-Pili, um sich miteinander zu verbinden und DNA-Pakete, sogenannte Gene, zu übertragen, die es ihnen ermöglichen, Antibiotika zu widerstehen. Es wurde angenommen, dass die harten Bedingungen im menschlichen und tierischen Darm, einschließlich Turbulenzen, Hitze und Säuren, das F-Pili brechen und die Übertragung erschweren würden.
Neue Forschungen eines Teams unter der Leitung von Forschern des Imperial College London haben jedoch gezeigt, dass die F-Pili unter diesen Bedingungen tatsächlich stärker sind und den Bakterien helfen, Resistenzgene effizienter zu übertragen und sich zu „Biofilmen“ – schützenden Bakterienkonsortien – zu verklumpen, die helfen sie wehren Antibiotika ab.
Die Ergebnisse werden in veröffentlicht Naturkommunikation.
Erstautor Jonasz Patkowski vom Department of Life Sciences bei Imperial sagte: „Die Zahl der Todesopfer durch Antibiotikaresistenz wird voraussichtlich bis 2050 so hoch sein wie bei Krebs, was bedeutet, dass wir dringend neue Strategien brauchen, um diesen Trend zu bekämpfen. Ein Großteil der Ausbreitung von Resistenzen wird vorangetrieben B. durch Bakterien, die Gene austauschen, sodass ein detailliertes Verständnis dieses Prozesses zu neuen Wegen führen könnte, ihn zu unterbrechen.“
Nicht so zerbrechlich
Verschiedene Bakterienklassen verwenden verschiedene Arten von Pili, um Gene in einem Prozess namens Konjugation zu übertragen. Ein klassisches Experiment schien zu zeigen, dass dieser Prozess zerbrechlich war und durch Bewegung unterbrochen werden konnte, aber dies hinterließ ein Rätsel: Warum verwenden so viele Bakterien, die unter rauen Bedingungen wie dem Darm leben, diese Systeme, wenn sie so zerbrechlich sind?
Das Team machte sich daher daran, diese Annahme zu testen. Indem sie E. coli-Bakterien schüttelten, während sie F-Pili während der Konjugation verwendeten, entdeckten sie, dass Bewegung tatsächlich die Effizienz des Gentransfers zwischen Bakterien erhöhte. Sie beobachteten auch, dass die konjugierten Bakterien nach der Übertragung von Genen unter geschüttelten Bedingungen leichter zusammenklumpten und Biofilme bildeten, die die inneren Bakterien vor den umgebenden Antibiotikamolekülen schützen.
Bildnachweis: Imperial College London
Um festzustellen, wie die F-Pili dazu in der Lage sind, unterzog das Team sie einem Festigkeitstest, indem sie ein Bakterium auf einer Bühne montierten, eine Glasperle mit einer „molekularen Pinzette“ mit dem Ende eines ihrer F-Pili verbanden und ziehen. Die F-Pili erwiesen sich als hochelastisch, mit federähnlichen Eigenschaften, die ein Brechen verhinderten.
Sie testeten auch die Fähigkeit des F-Pili, anderen üblichen Darmerkrankungen zu widerstehen, indem sie sie Natriumhydroxid, Harnstoff und übermäßig hohen Temperaturen von 100 °C aussetzten – alles, was der F-Pili überlebte.
Molekulare Eigenschaften
Das Team ging dann noch einen Schritt weiter und untersuchte die F-Pili auf molekularer Ebene, um zu sehen, was ihnen diese unglaublichen Eigenschaften verleiht. Sie bestehen hauptsächlich aus F-Pilin-„Untereinheiten“ mit miteinander verbundenen Phospholipidmolekülen.
Durch die Modellierung der F-Pili ohne die Phospholipide zeigte das Team, wie wichtig diese Moleküle für die Federung und elastische Festigkeit der Struktur sind. Die Wiederholung des Ziehexperiments zeigte, dass sich die Untereinheiten schnell zerlegen, ohne dass die Phospholipide sie unterstützen, was ihre neuartige Rolle als „molekularer Klebstoff“ in langen Biopolymeren beweist.
Der leitende Forscher Dr. Tiago Costa vom Department of Life Sciences bei Imperial sagte: „Die Herstellung von F-Pili ist für die Bakterien in Bezug auf Ressourcen und Energie sehr kostspielig, daher ist es keine Überraschung, dass sie den Aufwand wert sind. Wir haben gezeigt, wie F-Pili beschleunigen die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen und die Bildung von Biofilmen in turbulenten Umgebungen, aber die Herausforderung besteht nun darin, Wege zu finden, diesen sehr effizienten Prozess zu bekämpfen.“
Während es vorteilhaft wäre, F-Pili in pathogenen Bakterien zu brechen, könnten ihre Eigenschaften hilfreich sein, wenn wir sie beispielsweise für die Verwendung bei der Arzneimittelabgabe entwickeln könnten. Patkowski erklärte: „Es ist schwer, ein röhrenförmiges Anhängsel mit solch starken Eigenschaften zu finden. Bakterien verwenden es, um Gene zu übertragen, aber wenn wir diese Eigenschaften nachahmen könnten, könnten wir ähnliche Strukturen verwenden, um Medikamente genau dorthin zu bringen, wo sie im Körper benötigt werden.“
Mehr Informationen:
Jonasz B. Patkowski et al, Die biomechanische Anpassungsfähigkeit des F-Pilus beschleunigt die konjugative Verbreitung von Antibiotikaresistenz und Biofilmbildung, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37600-y