Wie manche Darmmikroben Zombie-Viren in ihren Nachbarn wecken

Einige Darmbakterien haben eine unheimliche Superkraft: Sie können schlafende Viren wiederbeleben, die in anderen Mikroben lauern

25.02.2022 - USA

Das Labor von Emily Balskus, Forscherin am Howard Hughes Medical Institute, veröffentlichte die Ergebnisse zunächst als Vorabdruck auf bioRxiv und später in der Zeitschrift Nature am 23. Februar 2022. Sie fanden heraus, dass ein kryptisches Molekül namens Colibactin die Killerviren aus ihrem Schlummer wecken kann.

Mikroben erzeugen oft schädliche Verbindungen, um sich gegenseitig in den engen Räumen des Darms anzugreifen. Aber unter diesen chemischen Waffen scheint Colibactin ungewöhnlich zu sein, sagt Balskus, ein Chemiebiologe an der Harvard University. "Es tötet die Zielorganismen nicht direkt ab, wie wir es normalerweise von bakteriellen Toxinen in mikrobiellen Gemeinschaften erwarten. Stattdessen verändert Colibactin die mikrobiellen Zellen so, dass es latente - und tödliche - Viren aktiviert, die in den Genomen einiger Bakterien versteckt sind.

Der Mensch ist schon lange auf der Suche nach den wirksamen Verbindungen, die Mikroben produzieren. "Wir wissen viel über ihre chemischen Eigenschaften, wir reinigen sie im Labor und wir verwenden sie als Medizin, einschließlich Antibiotika", sagt Breck Duerkop, der an der University of Colorado School of Medicine bakterielle Viren erforscht.

Per Kapsel durch die Blutbahn

Wie Darmbakterien mit dem Körper kommunizieren

News lesen

Aber warum Bakterien diese Verbindungen herstellen und welche Auswirkungen sie auf benachbarte Organismen haben, sind offene Fragen, sagt Duerkop, der an dieser Forschung nicht beteiligt war. Er bezeichnet die neue Arbeit von Balskus' Team als "einen Schritt in die richtige Richtung".

Chemische dunkle Materie

Wissenschaftler wissen seit Jahren, dass Colibactin in menschlichen Zellen verheerenden Schaden anrichten kann. Forschungen von Balskus und vielen anderen haben gezeigt, dass die Verbindung die DNA schädigt, was zu Darmkrebs führen kann. Der Nachweis eines Zusammenhangs zwischen dieser Verbindung und der Krankheit erwies sich jedoch als besonders schwierig.

Im Jahr 2006 berichtete ein französisches Team, dass Säugetierzellen, die mit dem Darmbakterium E. coli in Kontakt kamen, tödliche Schäden an ihrer DNA erlitten. Die Forscher brachten diese Schäden mit einer Gruppe von E. coli-Genen in Verbindung, die für den Aufbau eines komplexen Moleküls kodieren. Dieses Molekül, das sie Colibactin nannten, war außerordentlich schwierig zu untersuchen. Nach vielen Versuchen gelang es den Forschern einfach nicht, es aus dem E. coli zu isolieren, der es herstellt.

Colibactin ist eine von vielen flüchtigen Verbindungen, von denen Wissenschaftler vermuten, dass Mikroben sie herstellen. Wie die unsichtbaren Teilchen der dunklen Materie im Weltraum erfordert auch diese "chemische dunkle Materie" kreative Mittel zur Untersuchung. Im Rahmen ihrer Erforschung der mikrobiellen Chemie des Darms verwendet Balskus indirekte Ansätze, um diese schwer fassbaren Moleküle zu untersuchen.

In den letzten 10 Jahren hat ihr Team Colibactin untersucht, indem es die mikrobielle Maschinerie, die es herstellt, untersuchte. Sie und ihre Kollegen haben die Struktur von Colibactin entschlüsselt und festgestellt, dass es die DNA schädigt, indem es fehlerhafte Verbindungen innerhalb der Doppelhelix bildet.

Aufbauend auf dieser Arbeit haben Wissenschaftler an anderer Stelle eine eindeutige Verbindung zu Krebs entdeckt: Die charakteristischen Fingerabdrücke des Moleküls erscheinen in Genen, von denen bekannt ist, dass sie das Wachstum kolorektaler Tumore fördern.

Eine Rolle für Viren

Die jüngste Colibactin-Studie von Balskus begann mit einer anderen Krankheit: COVID-19. Wie viele andere Labors musste auch ihres umorganisieren, um den physischen Kontakt zwischen den Forschern zu reduzieren. Im Zuge dieser Umstrukturierung arbeiteten der Postdoc Justin Silpe und der Doktorand Joel Wong zum ersten Mal nebeneinander. Ihre Gespräche führten sie und Balskus zu der Frage, wie Colibactin andere Mikroben in einem überfüllten Darm beeinflusst.

Schon bald stellten sie fest, dass es kaum Auswirkungen hatte, wenn man Colibactin-produzierende Bakterien mit nicht-produzierenden Bakterien zusammenbrachte, was darauf hindeutet, dass das Molekül für sich genommen nicht besonders tödlich ist. Silpe und Wong waren sich nicht sicher, ob Colibactin, ein großes, instabiles Molekül, überhaupt in Bakterienzellen eindringen und deren DNA schädigen könnte. Sie fragten sich dann, ob eine dritte Partei - bakterieninfizierende Viren - daran beteiligt sein könnte. Diese Viren, die kaum mehr als genetische Informationen enthalten, können sich in die DNA von Bakterien einschleusen und dort auf der Lauer liegen. Sobald sie dann ausgelöst werden, verursachen sie eine Infektion, die die Zelle wie eine Landmine in die Luft jagt.

Als die Forscher Colibactin-Produzenten zusammen mit Bakterien züchteten, die solche latenten Viren in sich trugen, sahen sie, dass die Zahl der Viruspartikel in die Höhe schoss und das Wachstum vieler virushaltiger Bakterien zurückging. Das deutet darauf hin, dass das Molekül einen Anstieg aktiver, zellabtötender Infektionen auslöste. Colibactin dringt tatsächlich in Bakterien ein und schädigt die DNA, wie das Team zeigte. Diese Schädigung löst ein zelluläres Wecksignal aus, das die Viren aufweckt.

Viele Mikroben waren offenbar in der Lage, sich gegen Colibactin zu schützen. Das Labor von Balskus identifizierte ein Resistenzgen, das für ein Protein kodiert, das die Verbindung in einer Vielzahl von Bakterien neutralisiert.

Obwohl Colibactin eindeutig eine gefährliche Seite hat, könnte es mehr als nur eine tödliche Waffe sein, sagt Balskus. So können beispielsweise sowohl DNA-Schäden als auch erwachte Viren in benachbarten Bakterien genetische Veränderungen und nicht den Tod bewirken, was den Colibactin-Produzenten zugute kommen könnte.

Die Entdeckungen von Balskus' Team deuten darauf hin, dass Krebs möglicherweise ein Kollateralschaden ist, der durch andere Colibactin-produzierende Bakterien verursacht wird. "Wir haben immer vermutet, dass Bakterien dieses Toxin herstellen, um andere Bakterien auf irgendeine Weise zu bekämpfen", sagt sie. "Aus evolutionärer Sicht machte es keinen Sinn, dass sie es erworben haben, um menschliche Zellen anzugreifen.

Als Nächstes will Balskus untersuchen, wie der Wirkstoff die Gemeinschaft der Mikroben im Darm verändert - welche verschwinden und welche gedeihen, nachdem sie dem Wirkstoff ausgesetzt waren. "Der Schlüssel zur Krebsprävention könnte darin liegen, zu verstehen, welche Auswirkungen Colibactin auf die Mikrobengemeinschaft hat und wie seine Produktion kontrolliert wird", sagt sie.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.