Genetische Mutationen ermöglichen eine effiziente Evolution von Tuberkulose-verursachenden Bakterien

Laut einer heute veröffentlichten Studie haben Forscher herausgefunden, wie sich das Bakterium, das Tuberkulose (TB) verursacht, als Reaktion auf neue Umgebungen schnell entwickeln kann eLife.

Wie andere Bakterienarten ist Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis) in der Lage, komplexe Strukturen, sogenannte Biofilme, zu bilden, die es Bakterienzellen ermöglichen, Stressoren wie Antibiotika und Immunzellen zu widerstehen. Für diese Studie entwickelte das Forschungsteam Populationen von M. tuberculosis im Labor und stellte fest, dass es aufgrund von Mutationen in genetischen Regionen dicke Biofilme bilden kann, die mehrere Veränderungen gleichzeitig bewirken. Diese Ergebnisse könnten die Entwicklung von Antibiotika beeinflussen, die auf das Wachstum von Biofilmen abzielen.

Als zweithäufigste Todesursache aufgrund von Infektionskrankheiten weltweit stellt TB eine große Bedrohung für die öffentliche Gesundheit dar, und es besteht ein dringender Bedarf an neuen Strategien zur Diagnose, Behandlung und Kontrolle der Infektion.

„TB bleibt eine schwierig zu behandelnde Infektion, da das Bakterium angesichts von Antibiotika- und Immundruck bestehen bleiben und neuartige Arzneimittelresistenzen erwerben kann“, erklärt Madison Youngblom, Doktorandin im Labor der leitenden Autorin Caitlin Pepperell, University of Wisconsin-Madison , USA, und Co-Erstautorin der Studie zusammen mit Tracy Smith, New York Genome Center, New York City, USA. „Um TB besser behandeln und kontrollieren zu können, müssen wir die Ursachen der Robustheit des Bakteriums verstehen und seine Schwachstellen identifizieren. Wir wollten mehr darüber erfahren, wie es in der Lage ist, Biofilme zu bilden, indem wir auch die Gene und genetischen Regionen entdecken, die am Biofilmwachstum beteiligt sind wie sich das Bakterium als Reaktion auf Veränderungen in seiner Umgebung entwickelt.“

Zu diesem Zweck nutzte das Team die experimentelle Evolution von M. tuberculosis – ein leistungsstarkes Werkzeug, um die Stärken und Schwachstellen des Bakteriums zu beleuchten, das zu wichtigen Erkenntnissen über die grundlegenden Prozesse geführt hat, die seine Anpassung steuern. Sie entwickelten sechs eng verwandte M. tuberculosis-Stämme unter selektivem Druck, als Biofilm zu wachsen. In regelmäßigen Abständen fotografierten sie den Biofilm und beschrieben sein Wachstum anhand von vier Kriterien: wie viel Flüssigkeitsoberfläche der Biofilm bedeckte, wie er an den Seiten der Schale anhaftete und anwuchs, wie dick der Biofilm wuchs und wie kontinuierlich das Wachstum (im Vergleich zu diskontinuierliche Wachstumsflecken).

Ihre Arbeit zeigte, dass sich jeder Stamm schnell an den Umweltdruck anpassen konnte, wobei ein dickerer und daher robusterer Biofilm wuchs. Die genetischen Regionen, die während des Experiments mutierten und dieses Biofilmwachstum verursachten, waren hauptsächlich Regulatoren wie regX3, phoP, embR und Rv2488c. „Diese Regulatoren steuern die Aktivität mehrerer Gene, was bedeutet, dass eine einzige Mutation viele Veränderungen auf einmal bewirken kann“, erklärt Youngblom. „Das ist ein effizienter Prozess, den wir beobachtet haben, als wir uns die unterschiedlichen Eigenschaften der Bakterien angeschaut haben, etwa ihre Zellgröße und Wachstumsrate.“

Darüber hinaus fand das Team Hinweise darauf, dass der genetische Hintergrund des Elternstamms von M. tuberculosis einen Einfluss auf das verstärkte Wachstum der Biofilme hatte. Das bedeutet, dass Wechselwirkungen zwischen genetischen Faktoren eine wichtige Rolle bei der Anpassung der M. tuberculosis an sich verändernde Umgebungen spielen könnten.

„Bakterien neigen in vielen Zusammenhängen dazu, als Biofilme zu wachsen, einschließlich der Infektion von Menschen und anderen Wirten und während der Besiedlung natürlicher und bebauter Umgebungen“, sagt Seniorautorin Caitlin Pepperell, Principal Investigator an der University of Wisconsin-Madison. „Im medizinischen Kontext könnten die aus unserer Arbeit gewonnenen Erkenntnisse genutzt werden, um potenzielle neue Antibiotika zu erforschen, die besser in der Lage sind, auf diese Weise wachsende Bakterien anzugreifen um aktuelle Behandlungsstrategien zu verkürzen und zu vereinfachen.“