Studie zeigt, dass Kleintiere „gestohlene“ Gene von Bakterien nutzen, um sich vor Infektionen zu schützen

Bestimmte kleine Süßwassertiere schützen sich vor Infektionen, indem sie Bakterien „gestohlene“ Antibiotika-Rezepte verwenden. Dies ist das Ergebnis einer neuen Studie eines Teams der Universitäten Oxford, Stirling und des Marine Biological Laboratory (MBL) in Woods Hole.

Die winzigen Lebewesen heißen Bdelloide Rädertierchen, was so viel bedeutet wie „kriechende Rädertiere“. Sie haben einen Kopf, einen Mund, einen Darm, Muskeln und Nerven wie andere Tiere, sind jedoch kleiner als eine Haaresbreite.

Wenn diese Rädertierchen einer Pilzinfektion ausgesetzt werden, so ergab die Studie, aktivieren sie Hunderte von Genen, die sie von Bakterien und anderen Mikroben übernommen haben. Einige dieser Gene produzieren in den Rädertierchen Resistenzwaffen wie Antibiotika und andere antimikrobielle Mittel. Das Team berichtet über seine Ergebnisse In Naturkommunikation.

„Als wir den DNA-Code übersetzten, um zu sehen, was die gestohlenen Gene tun, erlebten wir eine Überraschung“, sagte der leitende Studienautor Chris Wilson von der Universität Oxford. „Die Hauptgene waren Anweisungen für Chemikalien, von denen wir nicht dachten, dass Tiere sie herstellen könnten – sie sahen aus wie Rezepte für Antibiotika.“

Frühere Untersuchungen haben ergeben, dass Rädertierchen seit Millionen von Jahren DNA aus ihrer Umgebung aufnehmen, doch die neue Studie ist die erste, die entdeckt, dass sie diese Gene gegen Krankheiten einsetzen. Es ist kein anderes Tier bekannt, das in so großem Umfang Gene von Mikroben „stiehlt“.

„Diese komplexen Gene – von denen einige bei keinem anderen Tier vorkommen – wurden von Bakterien übernommen, haben sich aber bei Rädertierchen entwickelt“, sagte der Co-Autor der Studie, David Mark Welch, leitender Wissenschaftler und Direktor des Josephine Bay Paul Center am Marine Biological Laboratory. „Dies lässt vermuten, dass Rädertierchen neuartige antimikrobielle Mittel produzieren, die für Tiere, einschließlich Menschen, weniger giftig sein könnten als die, die wir aus Bakterien und Pilzen entwickeln.“

Rezepte zur Selbstverteidigung

Antibiotika sind für die moderne Gesundheitsfürsorge unverzichtbar, doch die meisten von ihnen wurden nicht von Wissenschaftlern erfunden. Stattdessen werden sie auf natürliche Weise von Pilzen und Bakterien in der freien Natur produziert, und der Mensch kann künstliche Versionen davon herstellen, um sie als Medizin zu verwenden.

Die neue Studie legt nahe, dass Rädertierchen möglicherweise etwas Ähnliches tun.

„Diese seltsamen kleinen Tiere haben die DNA kopiert, die Mikroben sagt, wie sie Antibiotika herstellen“, erklärt Wilson. „Wir haben beobachtet, wie sie eines dieser Gene gegen eine von einem Pilz verursachte Krankheit einsetzten. Die Tiere, die die Infektion überlebten, produzierten zehnmal mehr von der chemischen Rezeptur als die, die starben. Das deutet darauf hin, dass dies hilft, die Krankheit zu unterdrücken.“

Die Wissenschaftler sind der Ansicht, dass Rädertierchen wichtige Hinweise bei der Suche nach Medikamenten zur Behandlung von durch Bakterien oder Pilze verursachten Infektionen des Menschen liefern könnten.

Antibiotika verlieren an Wirksamkeit, weil die krankheitserregenden Mikroben Resistenzen entwickelt haben und auf Behandlungen nicht mehr ansprechen. Die Weltgesundheitsorganisation schlug kürzlich Alarm und warnte in einem im Juni veröffentlichten Bericht vor der „dringenden Notwendigkeit“, neue Antibiotika zu entwickeln, um der Gefahr der Resistenzen entgegenzuwirken.

„Die Rezepte, die die Rädertierchen verwenden, sehen anders aus als bekannte Gene in Mikroben“, sagte Studienautor Reuben Nowell von der University of Stirling. „Sie sind genauso lang und kompliziert, aber Teile des DNA-Codes haben sich verändert. Wir glauben, dass das Rezept durch einen Evolutionsprozess verändert wurde, um neue und andere Chemikalien in den Rädertierchen zu erzeugen. Das ist spannend, weil es Ideen für zukünftige Medikamente liefern könnte.“

Die Gene, die die Rädertierchen von Bakterien erworben haben, kodieren eine ungewöhnliche Klasse von Enzymen, die Aminosäuren zu kleinen Molekülen, sogenannten nicht-ribosomalen Peptiden, zusammensetzen.

„Die nächste Phase dieser Forschung sollte die Identifizierung mehrerer nicht-ribosomal synthetisierter Peptide umfassen, die von Bdelloide-Rädertierchen produziert werden, und die Festlegung der Bedingungen, unter denen die Synthese dieser Verbindungen induziert werden kann“, sagte die Co-Autorin der Studie, Irina Arkhipova, leitende Wissenschaftlerin am Marine Biological Laboratory.

Ein Problem bei der Entwicklung neuer Medikamente ist, dass viele von Bakterien und Pilzen produzierte Antibiotika giftig sind oder bei Tieren Nebenwirkungen verursachen. Nur wenige davon können zu Behandlungen verarbeitet werden, die schädliche Mikroben aus dem menschlichen Körper entfernen.

Wenn Rädertierchen bereits ähnliche Chemikalien in ihren eigenen Zellen produzieren, könnten sie den Weg für Medikamente ebnen, die bei anderen Tieren, einschließlich Menschen, sicherer anzuwenden sind.

Warum eignen sich Rädertierchen so viele fremde Gene an?

Eine große Frage ist, warum Rädertierchen die einzigen Tiere sind, die diese nützlichen Gene in so großem Umfang von Mikroben übernehmen.

„Wir glauben, dass dies mit einer weiteren merkwürdigen Tatsache über diese Rädertierchen zusammenhängen könnte“, sagte Tim Barraclough, Co-Autor der Studie von der Universität Oxford. „Anders als bei anderen Tieren sehen wir nie männliche Rädertierchen. Rädertierchenmütter legen Eier, aus denen genetische Kopien ihrer selbst schlüpfen, ohne dass Sex oder Befruchtung nötig wären.“

Einer Theorie zufolge können Tiere, die sich auf diese Weise selbst kopieren, einander so ähnlich werden, dass ihre Gesundheit leidet.

„Wenn sich einer eine Krankheit einfängt, werden es auch die anderen“, erklärte Barraclough. Da Bdelloide Rädertierchen keinen Sex haben, wodurch die elterlichen Gene sich auf vorteilhafte Weise neu kombinieren können, wird das Genom der Rädertierchenmutter direkt an ihre Nachkommen weitergegeben, ohne dass neue Variationen entstehen.

„Wenn Rädertierchen keine Möglichkeit finden, ihre Gene zu verändern, könnten sie aussterben. Das könnte erklären, warum diese Rädertierchen so viele Gene von anderswo übernommen haben, insbesondere alles, was ihnen hilft, mit Infektionen fertig zu werden“, sagte Barraclough.

Nowell glaubt, dass man über Rädertierchen und ihre gestohlene DNA noch viel mehr lernen kann.

„Die Rädertierchen verwendeten Hunderte von Genen, die bei anderen Tieren nicht vorkommen. Die Antibiotika-Rezepte sind aufregend und einige andere Gene sehen sogar so aus, als ob sie aus Pflanzen stammen. Die Ergebnisse sind Teil einer wachsenden Geschichte darüber, wie und warum Gene zwischen verschiedenen Lebensformen übertragen werden“, sagte er.