Wenn die Evolution eine Abkürzung nimmt
Die meisten Bakterien, mit denen wir in der Natur in Kontakt kommen, sind für uns völlig harmlos. Doch ein paar zusätzliche Gene können ansonsten friedliche Mikroben in gefährliche Krankheitserreger verwandeln. Die Nachwuchsforscherin Natalie Jahn aus der Arbeitsgruppe Bakteriengenetik der Friedrich-Schiller-Universität Jena untersucht, wie Bakterienzellen dafür sorgen, dass solche von außen aufgenommenen Gene stabil von Generation zu Generation weitervererbt werden. In ihrer gerade abgeschlossenen Doktorarbeit hat die 28-Jährige Toxin/Antitoxin-Systeme in Bacillus subtilis detailliert charakterisiert und liefert damit die Grundlagen für neue Wege zur Behandlung bakterieller Infektionen.
Nathalie Jahn aus der Arbeitsgruppe Bakteriengenetik der Universität Jena hat ein sogenanntes Toxin/Antitoxin-System in B. subtilis detailliert charakterisiert.
Jan-Peter Kasper/FSU
Bacillus subtilis ist ein winziges stäbchenförmiges, etwa zwei bis fünf Mikrometer langes Bakterium, das in den oberen Schichten des Bodens weit verbreitet ist. Im Gegensatz zu seinen nahen Verwandten Bacillus anthracis (Milzbranderreger) und Bacillus cereus (Lebensmittelkeime) sind diese Mikroben völlig harmlos und ein beliebter Modellorganismus für Mikrobiologen. Doch durch den Einbau bestimmter krankmachender Gene (sogenannter Virulenz-Gene) aus pathogenen Erregern können auch relativ harmlose Bakterien zu gefährlichen Keimen werden. Und das ganz spontan, in freier Natur.
Wie, das erklärt die Biologin Jahn: „Virulenz-Gene gelangen über sogenannte mobile Elemente von einem Bakterium in ein anderes“, sagt die Nachwuchswissenschaftlerin, die in diesem Sommersemester ihre Doktorarbeit an der Universität Jena abgeschlossen hat. Unter mobilen Elementen verstehen die Forscher kurze Erbgut-Abschnitte, die ihre Position innerhalb des Bakterienchromosoms verändern können. Infolge solcher Positionswechsel komme es aber auch regelmäßig zur Übertragung in andere Bakterienarten, so Jahn.
Eine solche „Abkürzung der Evolution“ kann für die Mikroorganismen von Vorteil sein, weil sie sich mit „neuen“ Genen direkt und schnell auf veränderte Umweltbedingungen einstellen können und nicht erst künftige Generationen von Genveränderungen profitieren. Damit die Gene aber nicht so schnell, wie sie in die Bakterien gelangt sind, diese wieder verlassen, sind einige mobile Elemente mit einem effizienten Mechanismus versehen, der für einen stabilen Einbau in das Bakteriengenom sorgt.
Mit dem Gift wird gleichzeitig ein Gegengift hergestellt
Einen derartigen Mechanismus hat Natalie Jahn in ihrer Promotionsarbeit in der Arbeitsgruppe von PD Dr. Sabine Brantl aufgeklärt. „Einige mobile Elemente sind mit einem Toxin/Antitoxin-System versehen“, erläutert sie. „Dieses Toxin/Antitoxin-System sorgt dafür, dass die Bakterienzelle bei Verlust des mobilen Elements einen Giftstoff produziert, der die Bakterienzelle töten kann.“ Mit dem Gift wird aber gleichzeitig auch ein Gegengift hergestellt, das das Toxin unschädlich macht und dem Bakterium das Weiterleben ermöglicht. Da das Toxin deutlich langlebiger ist, muss das Antitoxin stetig nachproduziert werden, um das Überleben der Bakterienzelle zu sichern, und das ist nur bei stabilem Erhalt des mobilen Elements im Chromosom möglich.
In den vergangenen Jahren sind in zahlreichen Bakterien-Chromosomen solche Toxin/Antitoxin-Systeme entdeckt worden und haben das Interesse der Forscher geweckt. In ihrer Doktorarbeit hat Natalie Jahn nicht nur den Wirkungsmechanismus eines Toxin/Antitoxin-Paares in Bacillus subtilis aufgeklärt, das sie in ihrer Diplomarbeit identifiziert hatte, und die bisher vorherrschende Lehrmeinung dazu revidiert. Sie hat auch gemeinsam mit anderen Mitarbeitern der Arbeitsgruppe ein neues, bisher unbekanntes Toxin/Antitoxin-System in diesen Bakterien untersucht und charakterisiert.
Die Kenntnisse dieser Regelprozesse dienten in erster Linie der Grundlagenforschung, unterstreicht Dr. Brantl. „Wir können daran lernen, wie Virulenz-Gene oder auch Resistenzen gegenüber Antibiotika stabil in bakteriellen Genomen verankert werden.“ Langfristig lassen sich so neue Angriffspunkte zur Behandlung bakterieller Infektionen aufspüren, so die Leiterin der Arbeitsgruppe Bakteriengenetik der Uni Jena weiter. „Wenn wir einen Weg finden, gezielt das Antitoxin in den Bakterien auszuschalten, könnte das entsprechende Toxin seine ganze Wirkung entfalten und die Erreger sterben ab.“ Auf diese Weise würden die Bakterien zielgenau und quasi mit ihren eigenen Waffen geschlagen.
Originalveröffentlichung
Meissner, Christin; Jahn, Natalie; Brantl, Sabine; "In Vitro Characterization of the Type I Toxin-Antitoxin System bsrE/SR5 from Bacillus subtilis"; JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY; 2016, Volume: 291, Issue: 2, Pages: 560-571
Jahn, Natalie; Brantl, Sabine; Strahl, Henrik; "Against the mainstream: the membrane-associated type I toxin BsrG from Bacillus subtilis interferes with cell envelope biosynthesis without increasing membrane permeability"; MOLECULAR MICROBIOLOGY; 2015, Volume: 98, Issue: 4, Pages: 651-666
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