Forschung zeigt, dass Pflanzenpathogene Phagenelemente für die bakterielle Kriegsführung missbrauchen

Bakteriophagen sind Viren, die Bakterien angreifen und zerstören. Sie kommen in der Natur allgegenwärtig vor und spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulierung von Mikrobenpopulationen, wobei ihre Art und Weise noch nicht gut verstanden ist.

Neue Forschungsergebnisse unter der Leitung der University of Utah und des University College London (UCL) haben ergeben, dass bakterielle Krankheitserreger bei Pflanzen in der Lage sind, Teile ihrer eigenen Bakteriophagen (Phagen) umzufunktionieren und so konkurrierende Mikroben auszulöschen.

Diese überraschenden Ergebnisse legen nahe, dass solche Phagen-abgeleiteten Elemente eines Tages als Alternative zu Antibiotika genutzt werden könnten, so Talia Karasov, Assistenzprofessorin an der School of Biological Sciences der Universität. Die Studie mit dem Titel „Ein Phagenschwanz-ähnliches Bakteriozin unterdrückt Konkurrenten in Metapopulationen pathogener Bakterien“ wurde veröffentlicht In Wissenschaft.

Mit diesem Ergebnis hatte sie kaum gerechnet, als sie sich gemeinsam mit einem internationalen Wissenschaftlerteam an diese Forschung machte.

Mikrobielle Krankheitserreger sind allgegenwärtig, aber nur in einem Bruchteil der Fälle machen sie Menschen, andere Tiere oder Pflanzen krank, so Karasov, dessen Hauptforschungsinteresse den Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und mikrobiellen Krankheitserregern gilt. Das Karasov-Labor versucht, die Faktoren zu verstehen, die zu Krankheiten und Epidemien führen, anstatt die Krankheitserreger unter Kontrolle zu halten.

Für seine vorherige Forschung untersuchte das Labor, wie sich ein bestimmter bakterieller Krankheitserreger, Pseudomonas viridiflava, in landwirtschaftlichen und wilden Umgebungen manifestiert. Auf kultiviertem Land, so fanden sie heraus, würde sich eine Variante weithin in einem Acker ausbreiten und zum dominierenden Mikrobenvorkommen werden. Auf unkultiviertem Land war dies jedoch nicht der Fall, was Karasov dazu veranlasste, herauszufinden, warum.

„Wir sehen, dass keine einzelne Bakterienlinie dominieren kann. Wir fragten uns, ob die Phagen, die Krankheitserreger unserer bakteriellen Krankheitserreger, die Ausbreitung einzelner Linien verhindern könnten – vielleicht töteten Phagen einige Stämme ab und andere nicht. Damit begann unsere Studie, aber dort endete sie nicht“, sagte Karasov.

„Wir haben uns die Genome bakterieller Pflanzenpathogene angesehen, um herauszufinden, welche Phagen sie infizierten. Interessant war jedoch nicht, welche Phagen wir fanden. Die Bakterien hatten einen Phagen genommen und ihn für den Kampf gegen andere Bakterien zweckentfremdet und nutzten ihn nun, um konkurrierende Bakterien zu töten.“

Ihrer Studie zufolge übernimmt der Krankheitserreger Elemente der Phagen in Form von sich nicht selbst replizierenden Clustern zweckentfremdeter Phagen, den sogenannten Tailocinen, die die äußeren Membranen anderer Krankheitserreger durchdringen und diese abtöten.

Nachdem das Karasov-Labor und das Labor von Hernán Burbano am UCL diesen andauernden Krieg in den Populationen bakterieller Krankheitserreger entdeckt hatten, untersuchten sie die Genome moderner und historischer Krankheitserreger, um herauszufinden, wie sich die Bakterien weiterentwickeln, um sich gegenseitig anzugreifen.

„Man kann sich ein Wettrüsten zwischen den Bakterien vorstellen, bei dem sie versuchen, sich gegenseitig zu töten und im Laufe der Zeit Resistenzen gegeneinander zu entwickeln“, sagte Burbano. „Die von uns analysierten Herbariumproben der letzten 200 Jahre boten einen Einblick in dieses Wettrüsten und gaben Aufschluss darüber, wie Bakterien der Tötung durch ihre Konkurrenten entgehen.“

Suche nach mikrobieller DNA in Herbarbelegen

Burbano ist ein Pionier bei der Verwendung von Herbarbelegen zur Erforschung der Evolution von Pflanzen und ihrer mikrobiellen Krankheitserreger. Sein Labor sequenziert die Genome sowohl der Wirtspflanzen als auch der Mikroben, die zum Zeitpunkt der Sammlung vor über einem Jahrhundert mit der Pflanze assoziiert waren.

Für die Phagenforschung analysierte Burbano historische Exemplare der Ackerschmalwand, Arabidopsis thaliana, einer Pflanze aus der Familie der Kreuzblütler, die im Südwesten Deutschlands gesammelt wurden. Er verglich die Exemplare und die in ihnen lebenden Mikroben mit Pflanzen, die heute im gleichen Teil Deutschlands wachsen.

„Wir haben festgestellt, dass alle historischen Tailocine in unserem heutigen Datensatz vorhanden sind, was darauf schließen lässt, dass die Evolution die Vielfalt der Tailocinvarianten über die Jahrhunderte hinweg aufrechterhalten hat“, sagte er. „Dies deutet wahrscheinlich auf eine begrenzte Anzahl möglicher Resistenz-/Empfindlichkeitsmechanismen innerhalb unserer untersuchten Bakterienpopulation hin.“

Die Hauptautorin Talia Backman fragt sich, ob Tailocine dazu beitragen könnten, die drohende Krise der Antibiotikaresistenz bei schädlichen Bakterien zu lösen, die den Menschen infizieren.

„Wir als Gesellschaft benötigen dringend neue Antibiotika, und Tailocine haben das Potenzial für neue antimikrobielle Behandlungen“, sagte Backman, ein Doktorand im Karasov-Labor.

„Obwohl Tailocine bereits zuvor in anderen Bakteriengenomen gefunden und im Labor untersucht wurden, war ihre Wirkung und Entwicklung in wilden Bakterienpopulationen nicht bekannt. Die Tatsache, dass wir herausgefunden haben, dass diese wilden Pflanzenpathogene alle Tailocine haben und diese Tailocine sich weiterentwickeln, um benachbarte Bakterien abzutöten, zeigt, wie bedeutsam sie in der Natur sein könnten.“

Wie die meisten Pestizide wurden auch viele unserer Antibiotika vor Jahrzehnten entwickelt, um eine breite Palette schädlicher Organismen abzutöten, die sowohl schädlich als auch nützlich für die Gesundheit von Mensch und Pflanze sind. Tailocine hingegen sind spezifischer als die meisten modernen Antibiotika und töten nur ausgewählte Bakterienstämme ab. Das lässt darauf schließen, dass sie eingesetzt werden könnten, ohne ganze biologische Gemeinschaften zu zerstören.

„Zum jetzigen Zeitpunkt handelt es sich hier um Grundlagenforschung, die noch nicht anwendungsreif ist, aber ich denke, dass großes Potenzial besteht, sie zur Behandlung von Infektionen anzupassen“, sagte Karasov.

„Wir als Gesellschaft haben bei der Behandlung von Schädlingen in der Landwirtschaft und bakteriellen Krankheitserregern beim Menschen einheitliche und breitgefächerte Behandlungen eingesetzt. Die Spezifität der Tailocin-Abtötung ist eine Möglichkeit, mit der man sich genauer zugeschnittene Behandlungen vorstellen kann.“

An der Forschung waren neben der U School of Biological Sciences das University College London, das Max-Planck-Institut für Biologie, das Complex Carbohydrate Research Center Analytical Services and Training Lab der University of Georgia, die New York University, das Department of Biochemistry der U und das Lawrence Berkeley National Laboratory beteiligt.