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Umwelt+Natur

Einsame Bakterien mutieren schneller

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Eine Kolonie resistenter Bakterien auf einem Nährmedium (Rok Krašovec, University of Manchester)
In der Medizin sind Mutationen bei Bakterien ziemlich unerwünscht. Denn meist sorgen sie dafür, dass die Erreger immun gegen Medikamente werden. Warum das manchmal recht schnell passiert und manchmal so gut wie nie, dafür haben Forscher nun eine überraschende Erklärung gefunden: Für die Mikroben spielt dabei eine Rolle, wie viele ihrer Artgenossen gerade in der Nähe sind. Leben sie im Pulk, passiert meist nicht viel. Sind sie aber einsam, mutieren sie umso schneller, wie Experimente mit dem Darmkeim Escherichia coli zeigen. Das könnte auch erklären, warum gerade nach einem Antibiotika-Einsatz so viele resistente Keime entstehen.

Bakterien sind echte Anpassungskünstler: Sie können wechselnde Umweltbedingungen relativ schnell durch Mutationen und Veränderungen ihres Zellstoffwechsels ausgleichen. In der Medizin sorgt dies leider dafür, dass die wichtigsten Waffen gegen bakterielle Erreger immer stumpfer werden: Die Keime entwickeln immer häufiger Resistenzen gegen Antibiotika. „Antibiotika-Resistenzen sind eine echte Bedrohung für die Kontrolle von Krankheiten und die öffentliche Gesundheit – jede neue Erkenntnis zur Entstehung solcher Resistenzen ist daher wertvoll“, erklärt Michael Turner vom Wellcome Trust, der die aktuelle Studie mitfinanzierte. Sie erbrachte einen ziemlich überraschenden Einblick in das Sozialleben und die Resistenzentwicklung von Bakterien.

Ihre Studie führten Rok Krašovec von der University of Manchester und seine Kollegen mit dem Darmkeim Escherichia coli durch. Dieses Bakterium gehört zur gesunden Darmflora und ist normalerweise harmlos. Es gibt aber Stämme, die schwere Durchfälle, neurologische Komplikationen und Organschäden verursachen können. In ihrem Experiment untersuchten die Forscher, welche Rolle die Populationsdichte der Bakterien für ihre Fähigkeit zur Resistenzentwicklung spielt. Dafür hielten sie E. coli Bakterien entweder mit hoher Dichte in Nährlösungen oder aber vereinzelt in einer stark verdünnten Lösung und versetzten diese mit dem Antibiotikum Rifampicin. Nach mehreren Generationen überprüften die Wissenschaftler, ob und wie viele Bakterien schützende Mutationen entwickelt und so das Antibiotikum überlebt hatten.

Wenig Artgenossen – mehr Mutationen

Das Ergebnis war überraschend: „Wir entdeckten, dass die Rate, mit der E. coli mutiert, davon abhängt, wie viele ‚Freunde‘ es in der Nähe hat“, erklärt Koautor Christopher Knight von der University of Manchester. Je dichter die Bakterienkultur war, desto weniger schützende Mutationen entwickelten die Keime. In den Nährlösungen, in denen die Bakterien fast einzeln umherschwammen, entwickelten sich dagegen relativ schnell resistente Formen – und dies unabhängig von der Verfügbarkeit der Nährstoffe. „Einsame Bakterien scheinen demnach eher zu mutieren“, so Knight.

In weiteren Versuchen suchten die Forscher nach dem Grund für diesen „Einsamkeits-Effekt“ – und wurden tatsächlich fündig: Offenbar wird die Mutationsrate durch die soziale Kommunikation der Bakterien beeinflusst. Bei diesem Quorum Sensing tauschen die Mikroben chemische Signale aus, die ihnen mitteilen, ob und wie viele Artgenossen in der nahen Umgebung präsent sind. „Wir konnten daher die Mutationsraten der Bakterien verändern, indem wir bestimmten, mit wem sie ein Reagenzglas teilten“, sagt Krašovec. Wie die Forscher berichten, kontrolliert dabei ein für diese Kommunikation wichtiges Gen, luxS, auch die Entwicklung der schützenden Mutationen. Dieses kommt bei vielen Bakterien vor, daher könnte auch dieser Effekt bei vielen Arten vorhanden sein.

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Die Ergebnisse werfen auch ein neues Licht auf die Entstehung von Resistenzen bei mit Antibiotika behandelten Patienten: Offenbar sorgt gerade die Ausdünnung der Erreger durch das Antibiotikum erst dafür, dass die wenigen überlebenden Keime verstärkt Resistenzen ausbilden, so die Vermutung der Forscher. Dieser Zusammenhang zwischen Kommunikation, Populationsdichte und Resistenzentwicklung sei daher auch für künftige Therapien eine wichtige Erkenntnis. „Das könnte zu Wirkstoffen führen, die gezielt die Mutationsraten der Erreger senken – beispielsweise um die Entwicklung von Antibiotika-Resistenzen zu verhindern“, so Knight. Würde man diese Mittel den Antibiotika zusetzen, könnte diese wichtige Waffe der Medizin gegen bakterielle Infektionen schärfer bleiben als bisher.

Quelle:

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar
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