Antibiotikaresistente Bakterien sind eine drohende Bedrohung für die globale Gesundheit. Bakterien, die eine genetische Resistenz gegen Antibiotika entwickeln, verursachen jährlich Millionen von Menschenleben. Genetische Resistenz ist jedoch nur eine von vielen Möglichkeiten, wie Bakterien Antibiotika überleben können.
Forscher der Texas A&M University untersuchen, wie Bakterien eine Toleranz gegenüber Antibiotika entwickeln, ohne neue Gene zu erwerben oder bestehende zu mutieren. Die Forscher konzentrierten sich auf Variationen in den elektrochemischen Energien, die das Bakterienwachstum antreiben, um die Anpassung an Antibiotika zu verstehen. Diese Energien sind intensiv: Das beitragende elektrische Feld in einem einzelnen Bakterium kann stärker sein als das in Blitzen.
„Bakterien haben über Milliarden von Jahren zahlreiche Anpassungsstrategien entwickelt, um in widrigen Umgebungen zu überleben“, sagte Dr. Pushkar Lele, außerordentlicher Professor am Artie McFerrin Department of Chemical Engineering bei Texas A&M. „Die meisten Anpassungsmechanismen müssen noch verstanden werden.“
Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in der Zeitschrift mBio in einem Artikel mit dem Titel „Heterogene Verteilung der Protonenmotivkraft bei nicht vererbbarer Antibiotikaresistenz“.
Jedes Jahr werden ungefähr 3 Millionen Pfund Antibiotika in der Humanmedizin verwendet, und die achtfache Menge wird verwendet, um Nutztiere für den menschlichen Verzehr gesund zu halten. Leider kann der übermäßige und ungezielte Einsatz von Antibiotika Bedingungen schaffen, die für die Entstehung von Antibiotikaresistenzen bei Bakterien reif sind.
Frühere Studien haben festgestellt, dass einzelne Bakterienzellen, denen es an Energie mangelt, häufig tödliche Dosen von Antibiotika überleben. Diese ruhenden Zellen besitzen möglicherweise keine Gene, die Resistenz gegen Antibiotika verleihen können. Stattdessen verschlafen sie die Antibiotika-Attacke.
„Antibiotika eliminieren aktiv wachsende Bakterien, normalerweise indem sie auf Schlüsselprozesse in der Zelle abzielen“, sagte Lele. „In einem ruhenden Bakterium können diese Prozesse behindert werden, wodurch die Antibiotika unwirksam werden. Tatsächlich werden hohe Energieniveaus als schädlich für ihre Überlebenschancen angesehen.“
Das Team war daher überrascht, als es beobachtete, wie überlebende Zellen von Escherichia coli mehrere Stunden lang in Gegenwart von Antibiotika schnell schwammen. Bakterien schwimmen, indem sie schlanke Anhängsel drehen, die Flagellen genannt werden. Die Flagellen werden mehrere hundert Mal pro Sekunde durch starke elektrische Felder über die Zellmembran gedreht. Daher deuteten die Experimente entgegen der gängigen Meinung darauf hin, dass Überlebende hohe elektrochemische Energien aufrechterhalten.
Um den Zusammenhang zwischen Zellenergie und Antibiotikatoleranz zu untersuchen, behandelten die Forscher Zellen mit mehreren Antibiotikakombinationen. Unter Verwendung von fluoreszierenden Farbstoffen und empfindlichen Photonen-Detektionstechniken überwachten sie die elektrochemischen Energieniveaus in überlebenden Zellen. Die Zellen zeigten unerwarteterweise einen breiten Energiebereich, obwohl sie sich in einem Zustand des angehaltenen Wachstums befanden.
Als nächstes ermittelte das Team, wie die Überlebenden auf nachlassende Antibiotikaspiegel reagieren könnten, wenn die Behandlung abgebrochen würde. Sie arbeiteten auf Einzelzellebene und entdeckten, dass Zellen mit hoher Energie sofort zu wachsen begannen, sobald die Antibiotika-Bedrohung beseitigt war, was die Gefahren unvollständiger Antibiotika-Behandlungen demonstrierte.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass einige Bakterien den Antibiotika-Angriff überleben können, selbst wenn sie weder ruhend noch resistent sind. Besorgniserregend ist, dass solche Bakterien die Fähigkeit behalten, aus schädlichen Umgebungen herauszuschwimmen und sich schnell auszubreiten. Außerdem ermöglicht ihnen die hohe Energieretention, sich auf verschiedene Weise an die Antibiotika anzupassen.
„Die Energiequelle in E. coli, die die Beweglichkeit antreibt, treibt auch viele Transporter an, die oft als Efflux-Pumpen bezeichnet werden“, sagte Lele. „Diese Transporter können Antibiotika aus der Zelle pumpen, um die Bedrohung abzuschwächen. Die schwimmenden Zellen, die wir beobachtet haben, haben sich möglicherweise über diesen Mechanismus angepasst.“
Die medizinische Behandlung beinhaltet häufig den Wechsel zu einem anderen Antibiotikum, wenn ein infizierter Patient nicht auf eine anfängliche antibiotische Intervention anspricht. Das Faszinierende an ihrer Entdeckung ist laut Lele, dass Zellen mit hoher Energie bei einem Antibiotikawechsel häufiger überleben als bei der Gabe eines einzelnen Antibiotikums.
„Unsere Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass Zellen in einer Population, obwohl sie genetisch identisch sind, verschiedene Mechanismen anwenden können und tun, um sich an Antibiotika-Stress anzupassen“, sagte Lele. „Behandlungsschemata hätten bessere Ergebnisse, wenn sie diese Vielfalt berücksichtigen würden.“
Zu den Forschern des Projekts gehören Lele, Annie H. Lee, Dr. Rachit Gupta, Hong Nhi Nguyen, Isabella R. Schmitz und Dr. Deborah A. Siegele.
Mehr Informationen:
Annie H. Lee et al., Heterogene Verteilung der Protonenmotivkraft bei nicht vererbbarer Antibiotikaresistenz, mBio (2023). DOI: 10.1128/mbio.02384-22