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Das Problem mit Rogue Microbial Factions und Antibiotikaresistenz

2021

Extremismus ist ein weltweit verbreitetes Problem. Sie setzen sich aus Fraktionen von Schurken zusammen, deren Methoden und Handlungen außerhalb der Norm liegen und am Rande der Gesellschaft stehen. Dies mag sich auf die menschliche Welt beziehen, aber dies ist die Realität des bakteriellen Universums und seiner Populationsdynamik.

Isolierte mikrobielle Gruppen haben anscheinend die Fähigkeit, von den erwarteten Aktionen abzuweichen und eine Reihe verschiedener Mechanismen zu entwickeln, die zu einer veränderten Umwelt führen. Obwohl dies schwerwiegende Konsequenzen für den Mikrokosmos ihrer Welt haben kann, wurden auch die Auswirkungen auf unser Leben und unsere Gesundheit beobachtet. Von Antibiotikaresistenz und erhöhter Virulenz bis zum Überleben der Desinfektion haben Bakterien gezeigt, dass wir alle leiden, wenn sie Schurken werden.

In den letzten Jahrzehnten wurde ein diesen Fraktionen gemeinsames Element identifiziert: S-Ribosylhomocysteinase, allgemeiner als LuxS bezeichnet. Es wurde ursprünglich angenommen, dass dieses Enzym an der Kommunikation von Zelle zu Zelle beteiligt ist, was als Quorum Sensing bekannt ist. Bakterien erzeugen mit LuxS ein Signal, das als Autoinduktor bezeichnet wird, um mit anderen Zellen zu kommunizieren. Dies würde dann wiederum zu einer gemeinschaftsweiten Reihe von Aktionen führen, wie z. B. die Erhöhung der Zelldichte, die Bildung von Biofilmen oder sogar die Produktion von Abwehrchemikalien, um einen Angriff zu vermeiden. Ein anderer Mechanismus wurde jedoch offensichtlich, als die Forscher das Innere der Zelle genauer betrachteten.

Ähnlich wie beim Menschen haben Bakterien die Möglichkeit, die Expression von Proteinen auf genetischer Ebene zu kontrollieren. Der als Methylierung bekannte Prozess beinhaltet die Addition einer Methylgruppe entweder an ein Cytosin oder an ein Adenin. In diesem Fall kann keine Transkription stattfinden, und die Expression eines Proteins wird dadurch verhindert. Die Wirkung der Methylierung hilft zu verhindern, dass einige Bakterien unnötig wertvolle Energie und Ressourcen auf nicht essentielle Produkte wie Toxine ausüben.

Im Jahr 2012 untersuchte eine Gruppe neuseeländischer Forscher die LuxS-abhängige Methylierung, um Auswirkungen auf den bakteriellen Stoffwechsel zu beobachten. Die Ergebnisse waren überwältigend. Nahezu jeder Aspekt des Zellstoffwechsels wurde von diesem Enzym beeinflusst. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass luxS einen wesentlichen Beitrag zum Bakterienverhalten leistet und möglicherweise als Grundlage für die Behandlung einiger Probleme dienen kann, denen wir Menschen durch Kontamination, Infektion und Antibiotikaresistenz begegnen.

Es gab jedoch ein Problem; Nur wenige verstanden, wie die Methylierung durch LuxS gesteuert wurde. Um sicherzustellen, dass eine Behandlung ordnungsgemäß funktionierte, musste der Mechanismus geklärt werden. In der vergangenen Woche veröffentlichte ein Forscherteam aus Großbritannien seine Ergebnisse zur Regulierung von LuxS und stellte fest, dass der Treiber seiner Rolle nicht vom individuellen Zustand des Bakteriums abhing, sondern von der Gemeinde, in der es sich befand.

Das Team konzentrierte sich auf das Bakterium E. coli und seine Fähigkeit, dem Antibiotikum Rifampicin zu widerstehen, das für die Behandlung einer Reihe von Infektionen, einschließlich Tuberkulose, erforderlich ist. Der Mechanismus beinhaltete eine Änderung des genetischen Codes, die das Medikament daran hinderte, sein primäres Ziel in der Zelle anzugreifen. Die Gruppe wollte beobachten, wie diese Veränderungen auf molekularer Ebene auftraten. Sie konzentrierten sich auf einige mögliche Bedingungen, einschließlich der Anzahl der Generationen pro Tag (Fitness), der Bevölkerungsdichte in der Gemeinde und der Quorum Sensing.

Während sie feststellten, dass Fitness und Quorum Sensing Faktoren für die Resistenzentwicklung waren, waren sie schockiert, eine umgekehrte Beziehung zwischen der Bevölkerungsdichte und der Mutationsneigung zu sehen. Die Beobachtung widersprach den meisten Überzeugungen. Es wurde angenommen, dass eine dichtere Population erforderlich ist, um die antimikrobielle Behandlung abzubrechen. Das Gegenteil war der Fall. Der Akt der Resistenz war daher ein Schurkenakt, der von einer radikalen Gruppe extremistischer Bakterien unterstützt wurde.

Eine genauere Untersuchung des Methylierungsprozesses ergab, dass die kleinen Fraktionen LuxS verwendeten, um nicht die an Virulenz und Resistenz beteiligten Gene, sondern die an normalen zellulären Prozessen beteiligten Gene auszuschalten. Ihr Verhalten änderte sich von einer glücklichen Gemeinschaft zu einer im Krieg. Infolgedessen war das Auftreten von Mutationen sehr viel wahrscheinlicher und die Resistenzentwicklung war höher. Im Gegensatz dazu gingen die Bakterien, wenn die Zelldichte hoch war, ihrem Geschäft nach, ohne sich des antimikrobiellen Angriffs bewusst zu sein.

Die Ergebnisse der Studie waren überraschend und etwas entmutigend. Aus Sicht der Autoren bestand die beste Möglichkeit, Mutationen und nachfolgende Resistenzen zu verhindern, darin, die Zelldichte hoch zu halten. Während dies in einem Laborexperiment nützlich wäre, wäre es unmöglich, sicherzustellen, dass diese kritische Masse in der Umwelt und beim Menschen ganz einfach unethisch ist.

Es gab jedoch eine Möglichkeit, mit der Sprache der Bakterien voranzukommen. Durch das Hinzufügen von Signalen, die Bakterien dazu verleiten würden, eine höhere Zelldichte anzunehmen, würden sie dazu neigen, still zu bleiben und möglicherweise die Mutationsrate zu verlangsamen oder zu stoppen. LuxS würde normal weiterarbeiten und nicht an einer solch radikalen Änderung des Methylierungsprozesses teilnehmen. Die Bakterien würden dann von Antibiotika überrumpelt, was zu einem erfolgreicheren Behandlungsergebnis führen würde.

Die Beseitigung von Schurkenfraktionen ist sowohl in der menschlichen als auch in der mikrobiellen Welt nicht einfach. Es gibt jedoch jetzt eine mögliche Roadmap, um letztere durch neuartige Behandlungen zu ändern, um die Vorteile von LuxS zu nutzen. Die Möglichkeit, Extremismus zu reduzieren und uns auf eine normalere, ruhigere Gesellschaft zu konzentrieren, besteht jetzt und kann zu einer Veränderung unserer Fähigkeit führen, Infektionen mit Antibiotika abzuwehren. In einer Zeit, in der diese antimikrobiellen Waffen immer weniger zuverlässig sind, ist es eine willkommene Neuigkeit, kriegsähnliche Ausbrüche zu verhindern.

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