Wie Salmonellen im Darm zusammenwachsen und Antibiotikaresistenzen austauschen

Laut Forschern der ETH Zürich genügt die Möglichkeit, nur eine einzige alternative Nahrungsquelle zu nutzen, damit Durchfall verursachende Salmonellenbakterien gedeihen, wenn ein Darm bereits von einem eng verwandten Stamm besiedelt ist. Diese Koexistenz ermöglicht den Austausch von Antibiotikaresistenzen.

Bakterien entwickeln zunehmend Resistenzen gegen gängige Antibiotika, und ein Schlüsselfaktor, der zu diesem Problem beiträgt, ist der Austausch von Antibiotikaresistenzgenen zwischen eng verwandten Bakterienstämmen. Wenn diese verwandten Bakterien in die Nähe kommen, können sie Informationen darüber austauschen, wie sie Antibiotika überstehen. Leider scheint unser Darm eine ideale Umgebung für diesen Austausch zu bieten. Die Gründe dafür blieben unklar.

Nach der klassischen Theorie sollte dieser Austausch normalerweise überhaupt nicht stattfinden, da mikrobielle Interaktionen verhindern, dass eng verwandte Bakterienstämme zur gleichen Zeit denselben Ort besiedeln.

Der Darm von Säugetieren beherbergt Tausende von Bakterienarten, die eng miteinander interagieren und dicht besiedelte Gemeinschaften bilden – die Darmmikrobiota. Diese Gemeinschaften erfüllen für ihren Wirt wesentliche Funktionen, einschließlich der Resistenz gegen pathogene Bakterien.

Im normalen, gesunden Darm verhindert die residente Mikrobiota die Besiedlung durch enterische Krankheitserreger auf verschiedene Weise, beispielsweise durch Konkurrenz um Nahrungsmoleküle. Und nach der Nischenausschlusstheorie ist es für Bakterien derselben Art eine große Herausforderung, in einem bereits besiedelten Darm zu gedeihen, da sie um die gleichen Nahrungsmoleküle konkurrieren.

Eine Kolonisierungsstrategie pathogener Darmbakterien

„Neueste Beobachtungen scheinen diese Denkrichtung in Frage zu stellen und zeigen, dass mehrere Mitglieder der Familie der Enterobacteriaceae im Darm koexistieren können“, sagt Ersin Gül, Postdoktorand in der Gruppe von Wolf-Dietrich Hardt, Professor für Mikrobiologie an der ETH Zürich Mitglied des NFS Mikrobiome.

Dies stellt die Forscher vor eine rätselhafte Frage: Wie können eng verwandte Bakterienpopulationen mit ähnlichem Nährstoffbedarf im Darm koexistieren und sogar Informationen austauschen? Lässt sich dies anhand der Bakteriengenome vorhersagen?

Um dieses Rätsel zu lösen, untersuchte Hardts Forscherteam die Dynamik der bakteriellen Koexistenz im Darm. „Wir haben uns darauf konzentriert zu verstehen, wie eine sekundäre Gruppe von Bakterien gedeihen kann, wenn nah verwandte Bakterien vorhanden sind“, berichtet Gül, der Erstautor seiner Studie, die speziell das Verhalten pathogener Salmonellenbakterien untersuchte, die für durch Lebensmittel übertragene Infektionen bekannt sind Durchfall und verwandte harmlose E. coli-Stämme. Diese Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Zellwirt und Mikrobe.

Ernährung ist wichtig

Die Forscher fanden heraus, dass diese Bakterien, wenn sie alleine wachsen, verschiedene Nahrungsressourcen nutzen. Im Gegensatz dazu können sie nur dann wachsen und mit einer anderen Salmonellen- oder E. coli-Population koexistieren, wenn eine Population ein Nahrungsmolekül verwendet, das die andere nicht konsumieren kann (hier Galactitol oder Arabinose).

Dieses Verhalten offenbart eine Stoffwechselstrategie, die diese Bakterien nutzen, um Konkurrenz zu vermeiden und sich in einem bereits besetzten Darm auszubreiten, und ermöglicht so den Austausch wichtiger Informationen zwischen diesen Mikroorganismen, einschließlich der Überlebensmechanismen von Antibiotika.

Die Ergebnisse unterstreichen die tiefgreifende Wirkung von Nahrungsbestandteilen. Nur wenn die richtigen Nahrungsmoleküle vorhanden sind, können pathogene Bakterien unseren Darm mitinfizieren und Resistenzen gegen Antibiotika austauschen. Durch Experimente mit Mäusen zeigten Forscher, dass die Zugabe einer bestimmten Nährstoffquelle die Koexistenz zweier Salmonellenpopulationen verbesserte und zu einer erhöhten Anzahl antibiotikaresistenter Bakterien führte.

Folglich kann unsere Ernährung unbeabsichtigt die Verbreitung von Antibiotikaresistenzgenen fördern, indem sie Nährstoffquellen bereitstellt, die das Wachstum bestimmter Bakterienpopulationen gezielt begünstigen.

Neue Ansätze gegen schädliche Bakterieninvasion

Die Ergebnisse haben auch Auswirkungen auf die freundlichen Bakterien in unserem Darm, da sie möglicherweise dieselbe Kolonisierungsstrategie verwenden. „Unsere Studie legt nahe, dass kleine Unterschiede in der Stoffwechselkapazität auf Artenebene den Ersatz bestehender Mikrobiota-Stämme durch neue erleichtern könnten“, erklärt Gül.

Darüber hinaus bieten diese Erkenntnisse spannende Möglichkeiten für dringend benötigte Strategien zur Bekämpfung der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen und zur Förderung einer gesunden Darmmikrobiota. „Mikrobiota-basierte Therapien könnten von der Konzentration auf diese alternativen Stoffwechselwege profitieren“, schlägt Gül vor.

Hardt sagt: „Das entdeckte Prinzip ähnelt ein wenig der Entschlüsselung der Hieroglyphen des ersten Satzes des Rosetta-Steins – in Zukunft könnten wir möglicherweise in der Lage sein, Bakteriengenome systematisch zu analysieren, um vorherzusagen, ob zwei Stämme koexistieren, DNA austauschen können und welche.“ Lebensmittel könnten dies zusätzlich fördern.“