Laut einer in veröffentlichten Studie verändern Bakterien ihre Ribosomen, wenn sie häufig verwendeten Antibiotika ausgesetzt werden Naturkommunikation. Die subtilen Veränderungen könnten ausreichen, um die Bindungsstelle von Wirkstoffzielen zu verändern und einen möglichen neuen Mechanismus der Antibiotikaresistenz darzustellen.
Escherichia coli ist ein weit verbreitetes Bakterium, das oft harmlos ist, aber schwere Infektionen verursachen kann. Die Forscher setzten E. coli Streptomycin und Kasugamycin aus, zwei Arzneimittel zur Behandlung bakterieller Infektionen. Streptomycin ist seit den 1940er Jahren ein Grundnahrungsmittel bei der Behandlung von Tuberkulose und anderen Infektionen, während Kasugamycin weniger bekannt, aber in der Landwirtschaft von entscheidender Bedeutung ist, um bakterielle Krankheiten in Nutzpflanzen zu verhindern.
Beide Antibiotika manipulieren die Fähigkeit der Bakterien, neue Proteine zu bilden, indem sie gezielt auf ihre Ribosomen abzielen. Diese molekularen Strukturen bilden Proteine und bestehen selbst aus Proteinen und ribosomaler RNA. Ribosomale RNA wird häufig mit chemischen Markierungen modifiziert, die die Form und Funktion des Ribosoms verändern können. Zellen nutzen diese Tags zur Feinabstimmung der Proteinproduktion.
Die Studie ergab, dass E. coli als Reaktion auf die Antibiotika beginnt, neue Ribosomen aufzubauen, die sich geringfügig von denen unterscheiden, die unter normalen Bedingungen produziert werden. Je nachdem, welches Antibiotikum verwendet wird, fehlten den neuen Ribosomen bestimmte Tags. Die Markierungen gingen insbesondere in den Regionen verloren, in denen sich Antibiotika festsetzen und die Proteinproduktion stoppen. Die Studie ergab, dass die Bakterien dadurch resistenter gegen die Medikamente wurden.
„Wir gehen davon aus, dass die Ribosomen des Bakteriums seine Struktur gerade so weit verändern, dass ein Antibiotikum nicht wirksam binden kann“, sagt Anna Delgado-Tejedor, Erstautorin der Studie und Ph.D. Student am Center for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona.
Es ist bekannt, dass Bakterien auf unterschiedliche Weise Antibiotikaresistenzen entwickeln, unter anderem durch Mutationen in ihrer DNA. Ein weiterer häufiger Mechanismus ist ihre Fähigkeit, Antibiotika aktiv aus der Zelle zu pumpen und zu transportieren und so die Konzentration des Arzneimittels in der Zelle auf Werte zu senken, die nicht mehr schädlich sind.
Die Studie ist Beweis für eine völlig neue Überlebensstrategie. „E. coli verändert seine molekularen Strukturen mit bemerkenswerter Präzision und in Echtzeit. Es ist eine heimliche und subtile Möglichkeit, Medikamenten auszuweichen“, sagt Dr. Eva Novoa, korrespondierende Autorin der Studie und Forscherin am CRG.
Die Forscher erzielten die Ergebnisse mithilfe fortschrittlicher Nanoporen-Sequenzierungstechnologie, die RNA-Moleküle direkt liest. Bisherige Techniken würden RNA-Moleküle so verarbeiten, dass die chemischen Modifikationen entfernt würden.
„Unser Ansatz hat es uns ermöglicht, die Veränderungen so zu sehen, wie sie sind, in ihrem natürlichen Kontext“, sagt Dr. Novoa.
Die Studie untersucht nicht, warum oder wie die chemischen Modifikationen überhaupt verloren gehen. Weitere Forschungen könnten die zugrunde liegende Biologie des Anpassungsmechanismus erforschen und neue Wege zur Bekämpfung einer der größten drohenden Krisen der globalen Gesundheit aufdecken. Die weltweite antimikrobielle Resistenz hat seit 1990 jedes Jahr mindestens eine Million Todesopfer gefordert und wird bis 2050 voraussichtlich 39 Millionen weitere Todesopfer fordern.
„Wenn wir tiefer eintauchen und verstehen können, warum sie diese Modifikationen abgeben, können wir neue Strategien entwickeln, die verhindern, dass Bakterien sie überhaupt abgeben, oder neue Medikamente herstellen, die effektiver an die veränderten Ribosomen binden“, sagt Dr. Novoa.
Weitere Informationen:
Die Sequenzierung nativer RNA-Nanoporen zeigt den durch Antibiotika verursachten Verlust von rRNA-Modifikationen an den A- und P-Stellen. Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-54368-x