Abgestorbene Bakterien können sich im Land der Lebenden noch bemerkbar machen. Neue Forschungsergebnisse unter der Leitung integrativer Biologen der Michigan State University zeigen, dass dies große Auswirkungen auf die Antibiotikaresistenz in landwirtschaftlichen Betrieben haben könnte.
Die Ergebnisse wurden am 24. März in der Zeitschrift veröffentlicht Angewandte und Umweltmikrobiologie.
Die Weltgesundheitsorganisation hat die Antibiotikaresistenz als eine der größten Bedrohungen für die Ernährungssicherheit bezeichnet. Infektiöse Bakterien, die Antibiotikabehandlungen entgehen können, sind ein großes Problem für das Wohlergehen von Nutztieren, der Lebensmittelindustrie und der Öffentlichkeit.
„Außerhalb der Medizin wird vielleicht nicht so dringend über Antibiotikaresistenz gesprochen, wie es sein sollte“, sagte Sarah Evans, außerordentliche Professorin am College of Natural Science und am Ecology, Evolution and Behavior Program. „Wir dachten, dies seien Prozesse, die auf dem Gebiet genauer untersucht werden müssten.“
Also haben Evans und ihr Team einen dieser Prozesse genauer unter die Lupe genommen: Wie DNA von toten Bakterien lebenden Bakterien im Boden eine Antibiotikaresistenz verleihen könnte. Um diesen Prozess besser zu verstehen, sucht das Team auch nach Möglichkeiten, ihn zu stoppen.
„Die Leute denken viel über lebende Bakterien nach“, sagte Heather Kittredge, die als Doktorandin die Forschung für Evans‘ Labor leitete. „Vielleicht sollten wir auch an die Toten denken. Sie haben biologische Aktivität über den Tod hinaus.“
Die Idee mag wie aus einem Zombiefilm klingen. Es ist jedoch ein etablierter und weit verbreiteter – wenn auch weniger bekannter – Teil der Evolution. Es ist ein Beispiel für den sogenannten horizontalen Gentransfer, bei dem Gene mehr weitergegeben als weitergegeben werden.
Wenn Bakterien sterben, platzen sie und hinterlassen DNA. Dadurch können lebende Bakterien diese Gene sammeln und sie zur Arbeit bringen. Wenn zum Beispiel ein totes Bakterium Gene hat, die zur Antibiotikaresistenz beitragen, könnte eine lebende Mikrobe diese aufnehmen und ihre Kräfte erlangen.
Mikrobiologen haben die Genetik und Bakterien in Petrischalen ausgiebig untersucht, um zu wissen, dass dies tatsächlich ein Weg zur Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen ist. Es ist jedoch weniger darüber bekannt, wie sich der Prozess in der Natur abspielt, insbesondere im Boden, wo sich antibiotikaresistente Krankheitserreger entwickeln und schließlich die menschliche Gesundheit schädigen können.
„Der Boden ist immer noch so etwas wie eine Black Box“, sagte Kittredge, der jetzt Postdoktorand an der University of Connecticut ist. „Wir wollten wissen, wie das in freier Wildbahn passiert, welche Faktoren dazu beitragen und was wir dagegen tun können.“
Um all dies zu erfahren, sammelten die Spartaner Bodenproben an Orten rund um die WK Kellogg Biological Station, an der Evans auch Fakultätsmitglied ist. Sie sterilisierten den Boden und fügten lebende Zellen des Bodenbakteriums Pseudomonas stutzeri zusammen mit DNA von antibiotikaresistenten Formen von P. stutzeri hinzu. Sie konnten dann beobachten, wie oft die lebenden Zellen die DNA unter verschiedenen Bedingungen einbauten.
Sie fanden heraus, dass lebende Bakterien die DNA integrieren konnten, selbst wenn sie in geringen Konzentrationen vorhanden war, und dass lebende Zellen, die DNA aufgenommen hatten, während der 15-tägigen Dauer der Experimente bestehen blieben. Es ist jedoch bekannt, dass DNA länger im Boden überlebt, fügte Kittredge hinzu.
„Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass tote Bakterien … ein übersehener Weg zur Antibiotikaresistenz sind“, schrieb das Team in seiner Veröffentlichung.
Die Forscher stellten auch fest, dass lebende Zellen mit größerer Wahrscheinlichkeit DNA aus toten Zellen integrieren, wenn sie sich näher an ihr befinden, was nicht überraschend war. Lebende Zellen müssen die DNA berühren, um sie zu sammeln.
Überraschend war jedoch die Rolle der Bodenfeuchte. Obwohl die lebenden Zellen DNA über einen Bereich realistischer Feuchtigkeitswerte sammelten, waren sie unter etwas trockeneren Bedingungen am effizientesten. Aber Bakterien sind in nassem Boden mobiler, was vermutlich ihre Wahrscheinlichkeit erhöhen würde, auf DNA zu stoßen.
„Sie wachsen auch bei höherer Feuchtigkeit schneller“, sagte Kittredge. „Wenn sie also am meisten wachsen, ist das nicht dasselbe wie wenn sie die höchsten Raten an Gentransfer haben.“
Warum also sind Bakterien, die mobiler und produktiver sind, nicht besser darin, Gene aufzunehmen? Das möchte das Team untersuchen, zum Teil, weil das Verständnis Möglichkeiten bieten könnte, den Gentransfer zu verlangsamen. Inzwischen hat diese Forschung aber auch schon Ideen geliefert, wie man den horizontalen Transfer antibiotikaresistenter Gene auf landwirtschaftliche Betriebe eindämmen kann.
Beispielsweise wird Dung von Nutztieren als Dünger auf Ackerland verwendet, das für den Anbau von Nahrungspflanzen genutzt wird. Um im Kampf gegen Antibiotikaresistenzen zu helfen, wird Gülle oft wärmebehandelt, um vorhandene Bakterien abzutöten.
„Aber die Temperatur, bei der Bakterien sterben und bei der DNA zerstört wird, ist unterschiedlich“, sagte Kittredge. „Eine Erhöhung der Temperaturbehandlung zum Abbau von DNA könnte möglicherweise viel bewirken.“
Diese Arbeit könnte auch Anwendung finden, wenn es darum geht, Forschern dabei zu helfen, den Transfer nützlicher Gene zu fördern.
Heather A. Kittredge et al., Tot, aber nicht vergessen: Wie extrazelluläre DNA, Feuchtigkeit und Raum den horizontalen Transfer von extrazellulären Antibiotikaresistenzgenen im Boden modulieren, Angewandte und Umweltmikrobiologie (2022). DOI: 10.1128/aem.02280-21