Wissenschaftler bringen Licht in die Entstehung krankheitserregender Bakterien

Pathogene Bakterien sind hochspezialisierte Mikroorganismen, die eine der Hauptursachen für Krankheiten bei Menschen, Nutztieren und Nutzpflanzen sind, die weltweit zu erheblichen gesundheitlichen und wirtschaftlichen Verlusten führen. Wie sich diese Krankheitserreger, die manchmal sogar in den Zellen ihrer Wirte leben, einmal entwickelt haben, ist kaum bekannt. Ein internationales Forscherteam hat nun herausgefunden, wie sich bakterielle Krankheitserreger entwickelt haben. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Naturmikrobiologie Today zeigt, dass der Übergang von frei lebenden Vorfahren zu modernen Krankheitserregern schrittweise vor sich ging – mit Gengewinnen und -verlusten, aber auch mit der Umnutzung bestehender Gene.

Während die meisten Mikroorganismen gutartig oder sogar lebensnotwendig sind, sind einige Bakterien dafür bekannt, Krankheiten in Organismen wie Menschen, Tieren und Pflanzen zu verursachen. Intrazelluläre Pathogene können persistierende und manchmal lebenslange Infektionen hervorrufen. Während bekannt ist, dass sich bakterielle Krankheitserreger mehrmals unabhängig voneinander entwickelt haben, ist nicht viel über ihren evolutionären Ursprung bekannt. Die neue Studie veröffentlicht in Naturmikrobiologie zeigt, wie sich Rickettsien, eine Gruppe obligat intrazellulärer Bakterien, zu der mehrere berüchtigte Krankheitserreger von Menschen und Rindern gehören, aus einst frei lebenden Bakterien entwickelt haben.

Aquatische Verwandte bakterieller Krankheitserreger

Bei der Untersuchung der Vielfalt von Mikroorganismen in ozeanischen Gewässern entdeckte eine internationale Forschergruppe mehrere neue Bakterienarten, die entfernt mit Rickettsiales verwandt waren. Zu dieser Gruppe gehört eine Vielzahl von obligat intrazellulären Bakterien – einer davon ist der Erreger des epidemischen Fleckfiebers beim Menschen, Rickettsia prowazekii. Andere Rickettsien wie Wolbachia sind dafür bekannt, die meisten Insekten weltweit zu infizieren. „Entfernte Verwandte von Rickettsiales in ozeanischen Gewässern zu finden, war etwas überraschend“, sagt Max Emil Schön von der Universität Uppsala in Schweden und Co-Erstautor der Studie. „Wir haben uns gefragt, ob diese Bakterien, wie Rickettsien, obligat intrazelluläre Krankheitserreger sind oder ob sie Teil des frei lebenden Bakterioplanktons sind.“

Die Forscher entdeckten diese neuen Bakterien, indem sie metagenomische Daten auswerteten, die durch die Analyse des genetischen Materials aller Organismen gewonnen wurden, die in einer Umgebung leben, die nicht darauf angewiesen ist, Organismen im Labor zu züchten. „Der Großteil des mikrobiellen Lebens auf der Erde kann derzeit nicht im Labor gezüchtet werden“, erklärt Thijs Ettema, Professor für Mikrobiologie an der Wageningen University & Research in den Niederlanden, der die Arbeit leitete. „Anhand von Metagenomdaten ist es uns gelungen, die Genome dieser neuen Ozeanbakterien zu rekonstruieren. Durch die Analyse ihrer Genome konnten wir vorhersagen, dass sich ihre Lebensweise stark von den bisher bekannten obligat intrazellulären Rickettsien unterscheidet.“

Neue Arten „im Gegensatz zu pathogenen Verwandten“

Das Team von Thijs Ettema bemerkte, dass die Genome dieser neuen Rickettsiales viele Gene kodierten, die bei ihren wirtsassoziierten und pathogenen Verwandten fehlten. „Neben mehreren metabolischen Genen, die Rickettsien normalerweise fehlen, fanden wir Gene, die an der Beweglichkeit, der Oberflächenanhaftung und der Bildung von Biofilmen beteiligt sind. Das Vorhandensein solcher Gene weist auf eine freilebende Lebensweise hin“, sagt Co-Erstautor Joran Martijn, ehemaliges Mitglied von Ettemas Labor, die derzeit an der Dalhousie University in Kanada arbeitet.

Gene, die typischerweise an pathogenen Lebensstilen beteiligt sind, wie etwa jene, die an Energieparasitismus oder Manipulation von Wirtszellen beteiligt sind, wurden nicht identifiziert. Die Forscher fanden jedoch Gene, die für ein sogenanntes „Typ-4-Sekretionssystem“ codieren, eine mikroskopisch kleine nadelartige Struktur, die von Bakterien verwendet wird, um mit Wirtszellen zu interagieren. „Wir vermuten, dass dieses System nicht unbedingt dazu dient, wie andere Rickettsien mit Wirtszellen zu interagieren, sondern um konkurrierende Bakterien abzutöten oder räuberische Mikroben abzuwehren“, fügt Martijn hinzu.

Schrittweise Entwicklung des pathogenen Lebensstils

Durch den Vergleich der Genome der neu entdeckten Arten mit denen bereits bekannter Rickettsien gelang es dem Forscherteam, die Evolution der Wirtsassoziation und Pathogenität bei den Rickettsien zu rekonstruieren. „Wir vermuten, dass der freilebende Vorfahre der Rickettsien sein nadelartiges Typ-4-Sekretionssystem umfunktioniert hat, um mit Wirtszellen zu interagieren und diese zu manipulieren“, spekuliert Ettema.

„In der Folge gingen viele metabolische Gene und Gene, die mit der freilebenden Lebensweise verbunden sind, verloren, als die angestammten Rickettsiales abhängiger von ihrem Wirt für Metaboliten und Energie wurden. Dies spiegelte sich dann wider durch den Erwerb von Genen, die an Wirtsmanipulation und Energieparasitismus beteiligt sind“, er fügt hinzu. Das Team hofft, die neu identifizierten Arten in Zukunft im Labor züchten zu können, um den evolutionären Weg zur Wirtsassoziation und Pathogenität bei Rickettsiales weiter aufzuklären.