Wenn die Evolution eine Abkürzung nimmt Bakterien

URL: http://www.uni-jena.de/Forschungsmeldungen/FM160506_Bakteriengenetik.pdf
Wenn die Evolution eine Abkürzung nimmt
Bakterien-Genetik: Nachwuchswissenschaftlerin spürt neue
Angriffspunkte zur Behandlung von Infektionen im Erbgut von
Mikroorganismen auf
Foto: Jan-Peter Kasper
Gift und Gegengift in Bakterien: Nathalie Jahn aus der Arbeitsgruppe Bakterien-Genetik hat
untersucht, wie neu ins Genom aufgenommene Gene stabil von Generation zu Generation
weitervererbt werden.
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
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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.
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 Uni 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.
Bakterien produzieren Gift und Gegengift
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.
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.
Erreger mit den eigenen Waffen schlagen
Die Kenntnisse dieser Regelprozesse dienten in erster Linie der Grundlagenforschung,
unterstreicht Dr. Brantl. "Wir können daran lernen, wie Virulenz-Gene oder auch Resistenzen
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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.
Weiterführende Literatur:
Meissner, Christin; Jahn, Natalie; Brantl, Sabine. In Vitro Characterization of the Type I
Toxin-Antitoxin System bsrE/SR5 from Bacillus subtilis (2016) JOURNAL OF BIOLOGICAL
CHEMISTRY, 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 (2015) MOLECULAR MICROBIOLOGY, Volume: 98, Issue: 4, Pages:
651-666
Kontakt:
Natalie Jahn, PD Dr. Sabine Brantl
Arbeitsgruppe Bakteriengenetik, Friedrich-Schiller-Universität Jena
Philosophenweg 12, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 949575, 03641 / 949570
E-Mail: [email protected], [email protected]
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