Neue Studie enthüllt neuartigen Ansatz zur Bekämpfung „ruhender“ Bakterien

Die meisten krankheitserregenden Bakterien sind für ihre Schnelligkeit bekannt: In nur wenigen Minuten können sie ihre Population verdoppeln und einen Menschen schnell krank machen. Doch ebenso gefährlich wie dieses schnelle Wachstum kann der Ruhezustand eines Bakteriums sein, der dem Erreger dabei hilft, Antibiotika zu entgehen und zu schweren chronischen Infektionen in der Lunge und im Blut, in Wunden und auf der Oberfläche medizinischer Geräte beiträgt.

Jetzt haben Wissenschaftler von Scripps Research herausgefunden, wie lange Molekülketten, sogenannte Polyphosphate (PolyP), erforderlich sind, damit Bakterien Bewegungen innerhalb von Zellen verlangsamen und sie in diesen Ruhezustand gelangen lassen. Die Ergebnisse, veröffentlicht In Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenkönnte schließlich zu neuen Wegen zur Behandlung chronischer Infektionen führen, bei denen typische Antibiotika nicht wirksam sind.

„Viele aktuelle Antibiotika blockieren das Bakterienwachstum, aber Bakterien verbringen einen Großteil ihrer Zeit damit, nicht zu wachsen“, sagt Lisa Racki, Assistenzprofessorin in der Abteilung für Integrative Struktur- und Computerbiologie bei Scripps Research und leitende Autorin der neuen Arbeit. „Wir brauchen wirklich neue und kreative Strategien, um die langsam wachsenden und nicht wachsenden Phasen von Bakterien gezielt anzusprechen.“

Forscher wissen seit langem, dass Bakterien besonders lange überleben können, wenn sie aufhören zu wachsen und in einen energiesparenden Ruhezustand verfallen. Sie wussten auch, dass Bakterien, wenn sie in diesen Ruhezustand übergehen, wertvolle Energie nutzen, um PolyP-Stränge zu produzieren, die in ihren Zellen große Klumpen bilden. Doch Wissenschaftler waren sich über den Zweck von polyP in der Vergangenheit nicht im Klaren.

Um polyP zu untersuchen, wandten sich Racki und ihre Mitarbeiter an Pseudomonas aeruginosa, Bakterien, die bei Menschen, die im Krankenhaus liegen oder ein geschwächtes Immunsystem haben, Lungenentzündung und Blutinfektionen verursachen können. Einer der Gründe dafür, dass P. aeruginosa so schwer zu behandeln sein kann, besteht darin, dass es Biofilme bildet – eng verbundene, schleimige Bakteriengemeinschaften, von denen sich viele in einem Ruhezustand befinden und typischen Antibiotika entgehen können.

Wenn es P. aeruginosa an Stickstoff mangelt – einem der wichtigsten Nährstoffe, die es zum Wachstum benötigt –, produziert es viel PolyP. In der neuen Arbeit entdeckten Racki und ihre Mitarbeiter an der EPFL und am Caltech, dass ein Mutant, der nicht in der Lage ist, polyP herzustellen, nicht in seinen Ruhezustand gelangen kann. Um besser zu verstehen, warum dies geschieht und welche Konsequenzen dies hat, haben die Forscher P. aeruginosa gentechnisch verändert, um kleine, markierte Partikel herzustellen, mit denen sie verfolgen können, wie sich Moleküle innerhalb der Bakterien bewegen.

„Wir haben herausgefunden, dass sich alles in der Zelle zu sehr bewegt, wenn man PolyP loswird“, sagt Racki. „Die Zellen feiern, obwohl sie eine Pause machen sollten.“

Wenn es an den meisten Nährstoffen mangelt, verlangsamt P. aeruginosa die Bewegung von Materialien in seinem Inneren und hört auf, sich zu teilen. Doch ohne Stickstoff und PolyP bewegen sich die Bakterien mit Höchstgeschwindigkeit weiter, werden größer, lockern ihr Erbgut und teilen sich weiter.

Rackis Team kam zu dem Schluss, dass polyP normalerweise dafür verantwortlich ist, dass P. aeruginosa – und wahrscheinlich auch andere Bakterienarten – langsamer werden. Dies führt sie auch zu der Hypothese, dass die Verhinderung der Produktion von PolyP die Zellen aktiv halten und sie anfälliger für einige Antibiotika machen könnte.

„Dies hilft nicht nur, mögliche Richtungen für die Behandlung pathogener Bakterien aufzuzeigen, sondern liefert auch Antworten auf grundlegende Fragen zur Ausbreitung von Dingen in einer Bakterienzelle“, sagt Racki.

Racki und ihr Labor planen nun weitere Experimente, um besser herauszufinden, warum Zellen ihre inneren Bewegungen ohne PolyP nicht verlangsamen können und ob die Blockierung der bakteriellen Produktion von PolyP eine wirksame Taktik zur Behandlung einiger Infektionen sein könnte.

Neben Racki sind Sofia Magkiriadou, Willi Leopold Stepp und Suliana Manley von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) Autoren der Studie „Polyphosphat beeinflusst die zytoplasmatische und chromosomale Dynamik bei stickstoffhungrigem Pseudomonas aeruginosa“. und Dianne Newman von Caltech.