Bei der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen spielt „bakterieller Sex“ eine wichtige Rolle. In die Mechanismen dieses genetischen Austauschs haben Forscher nun neue Einblicke gewonnen: Sie konnten Bausteine des Systems identifizieren, die den engen Kontakt zwischen bestimmte Bakterienarten vermitteln. Die neuen Erkenntnisse könnten zur Entwicklung von Maßnahmen beitragen, die eine Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen eindämmen, sagen die Wissenschaftler.

„Sie haben sich mit einem multiresistenten Keim infiziert“, lautet immer häufiger eine gefürchtete Diagnose. Viele bakterielle Krankheitserreger lassen sich durch die gängigen Antibiotika nicht mehr abtöten, denn sie sind unempfindlich gegenüber der Wirkung dieser Substanzen. Dieses Merkmal basiert dabei auf genetischen Besonderheiten, die Bakterien im Zuge der „Zucht“ unter dem Druck des massiven Antibiotikaeinsatzes entwickelt haben. Besonders problematisch ist dabei: Die widerstandsfähigen Keime geben ihre Resistenzgene nicht nur an ihre Nachkommen weiter, sondern können sie auch anderen Bakterien übertragen. Dieser DNA-Austausch erfolgt über die sogenannte Konjugation – ein Prozess, der mit Sex vergleichbar ist.

Dabei gehen zwei Bakterien eine innige Verbindung miteinander ein und eines der beiden überträgt dann genetisches Material auf das andere. Das Spenderbakterium bildet dazu zunächst ein fadenförmiges Gebilde zur Kontaktaufnahme mit dem Rezipienten aus – anschließend „schmiegen“ sich die beiden dann aneinander an. Dabei werden an den Berührungsstellen Brückenstrukturen ausgebildet. Über diese werden dann sogenannte Plasmide übertragen: DNA-Strukturen, die sich in Bakterienzellen befinden, sich aber getrennt vom Haupt-Erbgut der Mikroben vervielfältigen. Sie tragen eine geringe Anzahl von Genen, die für bestimmte Funktionen kodieren – einschließlich der Resistenz gegen antimikrobielle Medikamente. Aufgrund dieser Bedeutung steht die bakterielle Konjugation bereits seit einiger Zeit im Fokus der Forschung.

Wie funktioniert der „bakterielle Sex“?

Als vergleichsweise gut erforscht gilt dabei der Prozess, durch den zwei Bakterienzellen zunächst miteinander in Kontakt treten. Die Forscher um Wen Wen Low vom Imperial College London haben nun hingegen Licht auf den Mechanismus geworfen, durch den Spender- und Empfängerbakterien die enge Verbindung eingehen, die letztlich die DNA-Übertragung ermöglicht. Ihre Ergebnisse basieren dabei auf der Untersuchung der Konjugations-Prozesse bei bestimmten Bakterienarten, zu denen Salmonellen oder Erreger von Lungenentzündungen gehören. Um die intimen Anheftungsprozesse sichtbar zu machen, führten die Forscher spezielle elektronenmikroskopische Analysen durch. Außerdem kamen strukturbiologische Verfahren zum Einsatz, um Einblick in die Eiweißbausteine zu gewinnen, die bei den Abläufen eine Rolle spielen. Das Team nutzte auch künstliche Intelligenz und Bioinformatik, um bestimmte Funktionen dieser Proteine aufzuklären.

Die Forscher fanden heraus, dass während der Konjugation ein spezielles Protein des Spenderbakteriums als „Zapfen“ fungiert, um sich an einen bestimmten Rezeptor oder „Steckplatz“ in der äußeren Membran des Empfängerbakteriums anzuheften. Das TraN genannte Zapfen-Protein wird dabei von genetischen Informationen gebildet, die auf dem Plasmid des Spenderbakteriums liegen. Die Wissenschaftler konnten zudem zeigen, dass Plasmide, die durch Konjugation weitergegeben werden, eine von vier Varianten des Proteins TraN exprimieren. Jede Version bindet dabei auch an einen spezifischen Rezeptor in der äußeren Membran des Empfängerbakteriums. Erst diese Kompatibilität ermöglicht eine effiziente Übertragung von Plasmiden von einer Zelle zur anderen, geht aus den Ergebnissen hervor.

Warum sich wer mit wem paart

„Diese Protein-Rezeptor-Paarungen erklären die Speziesspezifität der Konjugation. Anhand von Plasmid-Datensätzen aus Enterobacteriaceae – der Bakterienfamilie, zu der auch Salmonella oder E. coli gehören – haben wir gezeigt, wie unsere Klassifizierung die reale Verteilung von Resistenzplasmiden widerspiegelt“, sagt Low. Sein Kollege Konstantinos Beis führt dazu weiter aus: „Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen Fortschritt im Verständnis der Bildung konjugativer Paarungen dar und werden es uns ermöglichen, die Ausbreitung neu auftretender Resistenzplasmide in bakteriellen Hochrisikopathogenen vorherzusagen.“

Die Erkenntnisse könnten somit auch Ansatzmöglichkeiten bieten, um Maßnahmen zu entwickeln, die eine Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen eindämmen, sagen die Wissenschaftler. „Die Ausbreitung der Antibiotikaresistenz ist ein akutes Problem, das die menschliche Gesundheit weltweit beeinträchtigt, und wir brauchen dringend neue Instrumente, um dies zu bekämpfen. Wenn wir den Prozess verstehen und letztlich unterbrechen, durch den Bakterien ihre Fähigkeiten teilen, antimikrobielle Medikamente zu umgehen, können wir einen großen Beitrag dazu leisten, die Ausbreitung der Resistenz aufzuhalten“, sagt Senior-Autor Gad Frankel vom Imperial College London. Das Team will deshalb nun auch am Ball bleiben: Die Forscher wollen die Interaktionen von TraN und den Rezeptoren weiter aufklären.

Quelle: Imperial College London, Nature Microbiology, doi: 10.1038/s41564-022-01146-4

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