Fremde DNA „schleicht“ an der bakteriellen Abwehr vorbei und fördert so die Antibiotikaresistenz

Eine neue Studie der Universität Tel Aviv zeigt, wie bakterielle Abwehrmechanismen neutralisiert werden können, was den effizienten Transfer von genetischem Material zwischen Bakterien ermöglicht. Die Forscher glauben, dass diese Entdeckung den Weg für die Entwicklung von Werkzeugen zur Bewältigung der Antibiotikaresistenzkrise ebnen und wirksamere genetische Manipulationsmethoden für medizinische, industrielle und ökologische Zwecke fördern könnte.

Die Studie wurde von Ph.D. geleitet. Studentin Bruria Samuel aus dem Labor von Prof. David Burstein an der Shmunis School of Biomedicine and Cancer Research an der Wise Faculty of Life Sciences der Universität Tel Aviv. Weitere Mitwirkende an der Forschung sind Dr. Karin Mittelman, Shirly Croitoru und Maya Ben-Haim aus dem Labor von Prof. Burstein. Die Ergebnisse waren veröffentlicht im Tagebuch Natur.

Die Forscher erklären, dass genetische Vielfalt für das Überleben und die Anpassung verschiedener Arten an Umweltveränderungen unerlässlich ist. Für den Menschen und viele andere Organismen ist die sexuelle Fortpflanzung der wichtigste Treiber der zum Überleben notwendigen genetischen Vielfalt. Bakterien und anderen Mikroorganismen fehlt jedoch ein solcher Reproduktionsmechanismus.

Dennoch verfügen Bakterien, wie die alarmierende Geschwindigkeit, mit der sich Antibiotikaresistenzen unter Bakterienpopulationen ausbreiten, über alternative Mechanismen, um die zum Überleben notwendige genetische Vielfalt aufrechtzuerhalten, einschließlich der direkten Übertragung von DNA zwischen Bakterien.

Der DNA-Transfer zwischen Bakterien spielt eine entscheidende Rolle für ihr Überleben. Ein zentraler Aspekt dieses Prozesses ist jedoch noch immer wenig erforscht: Wie kann der Austausch von genetischem Material so weit verbreitet sein, obwohl Bakterien über eine Vielzahl von Abwehrmechanismen verfügen, die darauf abzielen, jegliches fremde genetische Material, das in ihre Zellen gelangt, zu zerstören?

Die neue Forschung konzentriert sich auf einen Prozess namens „Konjugation“, einen der Hauptmechanismen für die Übertragung von DNA von einem Bakterium auf ein anderes. Bei der Konjugation verbindet sich eine Bakterienzelle direkt mit einer anderen durch ein winziges Röhrchen, das die Übertragung genetischer Materialfragmente, sogenannter Plasmide, ermöglicht.

Prof. Burstein erklärt: „Plasmide sind kleine, kreisförmige, doppelsträngige DNA-Moleküle, die als ‚mobile genetische Elemente‘ klassifiziert werden.“ Wie Viren bewegen sich Plasmide von einer Zelle zur anderen, aber im Gegensatz zu Viren müssen sie das Wirtsbakterium nicht töten, um die Übertragung abzuschließen.“

Im Rahmen des natürlichen Austauschs verschaffen Plasmide den Empfängerbakterien häufig genetische Vorteile. Beispielsweise verbreiten sich viele Antibiotikaresistenzgene durch Plasmidtransfer zwischen Bakterien. Allerdings verfügen Bakterien auch über zahlreiche Abwehrmechanismen, die darauf abzielen, das Eindringen fremder DNA in ihre Zellen zu verhindern.

„Konjugation ist ein bekannter Prozess, den Wissenschaftler auch im Labor nutzen, um Gene zwischen Bakterien zu übertragen. Es ist auch bekannt, dass Bakterien über Mechanismen verfügen, um fremde DNA, einschließlich Plasmid-DNA, zu zerstören, und einige dieser Mechanismen werden sogar für verschiedene Forschungszwecke genutzt.“ Allerdings hat bisher noch niemand vollständig erforscht, wie Plasmide diese Abwehrmechanismen überwinden“, sagt Prof. Burstein.

Samuel erklärt, dass sie die Forschung mit der Durchführung einer Computeranalyse von 33.000 Plasmiden begann und Gene identifizierte, die mit „Anti-Abwehr“-Systemen verbunden sind, die Plasmiden dabei helfen, bakterielle Abwehrmechanismen zu umgehen.

Noch interessanter war die Lage dieser Gene. Wie bereits erwähnt, sind Plasmide doppelsträngige zirkuläre DNA-Segmente. Um durch den dünnen Schlauch zu gelangen, der die Bakterien verbindet, wird einer dieser kreisförmigen Stränge an einer bestimmten Stelle von einem Protein durchtrennt, das sich dann an den abgespaltenen Strang bindet und dessen Übertragung auf die Empfängerzelle initiiert.

„Es stellte sich heraus, dass die Gene für die Antiabwehrsysteme, die ich identifiziert habe, in der Nähe dieser Schnittstelle konzentriert und so organisiert waren, dass sie als erste Gene in die neue Zelle eindringen würden. Diese strategische Positionierung ermöglicht die Aktivierung der Gene.“ unmittelbar nach der Übertragung, was dem Plasmid den nötigen Vorteil verschafft, um die Abwehrsysteme des Empfängerbakteriums zu neutralisieren.“

Prof. Burstein erzählt, wie Samuel, als er ihm zum ersten Mal ihre Ergebnisse zeigte, kaum glauben konnte, dass ein solches Phänomen noch nie zuvor identifiziert worden war.

„Bruria führte eine umfassende Literaturrecherche durch und stellte fest, dass zuvor niemand diesen Zusammenhang hergestellt hatte“, sagt er. Da die Entdeckung durch die Analyse bestehender Datenbanken mit Computertools gemacht wurde, bestand der nächste Schritt darin, im Labor zu zeigen, dass dieses Phänomen tatsächlich beim Plasmidtransfer zwischen Bakterien auftritt.

Samuel erklärt: „Dazu haben wir Plasmide verwendet, die Antibiotikaresistenzen verleihen, und sie in Bakterien eingeführt, die mit CRISPR ausgestattet sind, dem bekannten bakteriellen Abwehrsystem, das DNA, einschließlich der von Plasmiden, angreifen und zerstören kann. Mit dieser Methode konnten wir problemlos testen.“ die Bedingungen, unter denen das Plasmid das Abwehrsystem überwinden könnte – wenn es gelingt, das CRISPR-System zu überwinden, werden die Empfängerbakterien resistent gegen Antibiotika.

Mit dieser Methode zeigte Samuel, dass das Plasmid das CRISPR-System erfolgreich überwindet, wenn die Anti-Verteidigungsgene in der Nähe des DNA-Eintrittspunkts positioniert werden. Befinden sich diese Gene jedoch an anderer Stelle auf dem Plasmid, zerstört das CRISPR-System das Plasmid und die Bakterien sterben bei der Einwirkung von Antibiotika ab.

Prof. Burstein weist darauf hin, dass das Verständnis der Positionierung von Anti-Abwehrsystemen auf Plasmiden die Identifizierung neuer Anti-Abwehr-Gene ermöglichen könnte, ein Thema, das derzeit sehr aktiv erforscht wird.

„Darüber hinaus kann unsere Studie dazu beitragen, effizientere Plasmide für die genetische Manipulation von Bakterien in industriellen Prozessen zu entwickeln. Während Plasmide für diese Zwecke bereits weit verbreitet sind, ist die Effizienz des plasmidbasierten Gentransfers unter Laborbedingungen deutlich geringer als die von natürlichen Plasmiden.“ „, sagt er.

„Eine weitere mögliche Anwendung könnte die Entwicklung effektiver Plasmide für die genetische Manipulation natürlicher Bakterienpopulationen sein. Dies könnte dazu beitragen, Antibiotikaresistenzgene in Krankenhausbakterienpopulationen zu blockieren, Bakterien in Boden und Wasser beizubringen, Schadstoffe abzubauen oder Kohlendioxid zu binden, und sogar Darmbakterien dazu zu manipulieren.“ die menschliche Gesundheit verbessern.“

Ramot, das Technologietransferunternehmen der Universität Tel Aviv, betrachtet diese Entdeckung als einen bedeutenden biotechnologischen Durchbruch mit breiten Anwendungsmöglichkeiten.

Dr. Ronen Kreizman, CEO von Ramot, erklärt: „Zunächst möchte ich Prof. David Burstein und seinem Laborteam zu dieser faszinierenden wissenschaftlichen Entdeckung gratulieren. Die neue Forschung eröffnet revolutionäre Möglichkeiten in Bereichen wie der Entwicklung von Medikamenten gegen resistente Bakterien und der synthetischen Biologie.“ , Agrartechnologie und Lebensmitteltechnologie. Die Fähigkeit, den Transfer genetischen Materials zwischen Bakterien zu kontrollieren und zu optimieren, könnte ein wirksames Instrument zur Bewältigung ökologischer, landwirtschaftlicher und medizinischer Herausforderungen werden. Wir arbeiten derzeit an der Kommerzialisierung dieser Technologie, um ihr volles Potenzial auszuschöpfen.