Wissenschaftler entdecken, wie Parasiten von Viren die Entwicklung von Superbakterien vorantreiben

In einer Studie veröffentlicht in ZelleWissenschaftler der National University of Singapore (NUS) und des Imperial College London haben einen neuen Weg entdeckt, wie Bakterien ihre Gene weitergeben und sich so viel schneller entwickeln können als bisher angenommen.

Unter der Leitung von Assistenzprofessor John Chen von der Abteilung für Mikrobiologie und Immunologie und dem Translational Research Program für Infektionskrankheiten an der NUS Yong Loo Lin School of Medicine (NUS Medicine) könnten die Erkenntnisse Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, wie sich pathogene Bakterien entwickeln und zunehmend virulent werden und resistent gegen Antibiotika.

Die Fähigkeit, genetisches Material zu teilen, ist der Hauptantrieb der mikrobiellen Evolution, da sie ein gutartiges Bakterium im Handumdrehen in einen tödlichen Krankheitserreger verwandeln kann. Phagen, die Viren von Bakterien, können als Kanäle fungieren, die die Übertragung von Genen von einem Bakterium auf ein anderes durch einen Prozess ermöglichen, der als genetische Transduktion bezeichnet wird.

Derzeit sind drei Transduktionsmechanismen bekannt: generalisiert, spezialisiert und lateral. Auch die laterale Transduktion wurde 2018 von denselben Forschergruppen entdeckt und ist mindestens tausendmal effizienter als der zweitstärkste Mechanismus, die generalisierte Transduktion.

Der neue Prozess wird als laterale Kotransduktion bezeichnet, und die Architekten hinter dieser neuen Häufigkeit und Geschwindigkeit in der bakteriellen Evolution sind die Staphylococcus aureus-Pathogenitätsinseln (SaPIs), bei denen es sich um selbstsüchtige DNA-Elemente handelt, die Phagen ausbeuten und parasitieren und die häufig in die Chromosomen von S . aureus isoliert.

S. aureus ist eine Bakterienart, die bei Menschen und Tieren Staphylokokkeninfektionen verursachen kann. Obwohl es sich hauptsächlich um Hautinfektionen handelt, kann es lebensbedrohlich werden, wenn es in den Blutkreislauf gelangt und Organe, Knochen oder Gelenke infiziert.

Professor José R. Penadés von der Abteilung für Infektionskrankheiten und Direktor des Zentrums für Bakterienresistenzbiologie am Imperial College London sagte: „Dieser Durchbruch wirft Licht auf einen neuartigen Weg, auf dem sich Bakterien entwickeln. Angesichts der alarmierenden Zunahme von Antibiotikaresistenzen.“ Superbakterien wird das Verständnis der Mechanismen, die die bakterielle Evolution vorantreiben, immer wichtiger.“

Dieser neu entdeckte Prozess, die laterale Cotransduktion, konkurriert hinsichtlich der Effizienz mit der lateralen Transduktion, übertrifft diese jedoch an Vielseitigkeit und Komplexität. Während eine laterale Transduktion bekanntermaßen nur auftritt, wenn ruhende Phagen im Bakteriengenom reaktiviert werden und die Reproduktion im Lysezyklus einleiten, kann eine laterale Cotransduktion während des Reaktivierungsprozesses und der Infektion neuer Bakterienzellen auftreten.

Darüber hinaus können sich SaPIs im Gegensatz zu Phagen, die ihre Gene opfern, um bakterielle Wirts-DNA zu übertragen, durch laterale Kotransduktion vollständig intakt mit bakterieller DNA übertragen. Diese bemerkenswerte Fähigkeit ermöglicht es ihnen, den Vorgang ständig zu wiederholen, was sie bei der Übertragung bakterieller Gene deutlich wirksamer und effizienter macht.

Asst Prof. Chen sagte: „Durch die Studie haben wir gezeigt, dass sich Bakterien viel schneller entwickeln können, als wir dachten. Während die genetische Transduktion schon immer die ausschließliche Domäne von Phagen war, hat unsere Forschung in einer unerwarteten Wendung der Ironie gezeigt, dass Parasiten der Die produktivsten Parasiten auf dem Planeten (die Phagen) sind wahrscheinlich die stärksten und effizientesten Transduktionsmittel, die derzeit bekannt sind.“

Prof. Chng Wee Joo, Vizedekan an der NUS Medicine, sagte: „Diese bahnbrechende Entdeckung wird sich auf die Art und Weise auswirken, wie wir verstehen, wie sich Bakterien durch Gentransfer entwickeln und welche möglichen Auswirkungen sie auf bakterielle Infektionen und Krankheiten haben. Diese Forschung ist auch für die Aufklärung sicherer Behandlungen von größter Bedeutung.“ Entscheidungen im klinischen Umfeld, und es ist eine absolute Ehre, dass unsere Arbeit in dieser renommierten Zeitschrift veröffentlicht wird.

Die Zunahme von Superkeimen erfordert neue Wege zur Behandlung antibiotikaresistenter Stämme. Eine dieser Methoden, die in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen hat, ist die Phagentherapie, bei der Phagen eingesetzt werden, um schädliche Bakterien bei Infektionen und Krankheiten zu eliminieren. Anstatt jedoch nur Bakterien zu bekämpfen, könnten sich einige therapeutische Phagen als unwissende Komplizen von SaPIs oder anderen verwandten Elementen erweisen, die zur lateralen Kotransduktion fähig sind.

Laut Prof. Penadés „kommt dieser Prozess wahrscheinlich auch bei verschiedenen anderen Bakterienarten vor. Dieser bahnbrechende Befund markiert einen Paradigmenwechsel in unserem Verständnis der bakteriellen Evolution und wird die Art und Weise, wie wir Antibiotikaresistenzen bekämpfen, immens beeinflussen.“

„Sie [phages] Kurzfristig könnten Bakterien zerstört werden, auf lange Sicht jedoch schädliche Gene auf andere Zellen übertragen, was sich als katastrophal erweisen könnte. „Mit dieser neuen Art, die Evolutionsmechanismen krankheitserregender Organismen zu verstehen, ist es wichtig, dass therapeutische Phagen sorgfältig überprüft werden, bevor sie für die Therapie eingesetzt werden“, sagte Chen.