(Ankur Dalia/Indiana University) Bakterien sind schlüpfrige kleine Saugnäpfe. Sie entwickeln sich schnell, entwickeln Resistenzen gegen Antibiotika und werden daher immer schwieriger zu bekämpfen. Jetzt haben Forscher erstmals einen der Mechanismen gefilmt, die die Mikroben für diese rasante Evolution nutzen.
Zwei Vibrio-Cholera Bakterien – der Erreger der Cholera – sitzen unter dem Mikroskop und leuchten leuchtend grün. Während wir zusehen, schlängelt sich eine Ranke aus einem der Bakterien hervor, harpuniert ein Stück DNA und trägt es zurück zu seinem Körper.
Dieses Anhängsel wird Pili genannt, und der Prozess, bei dem das Bakterium das neue genetische Material eines anderen Organismus in seine eigene DNA einbaut, um seine Evolution zu beschleunigen, wird horizontaler Gentransfer genannt.
Und dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler direkt beobachtet haben, wie ein Bakterium einen Pilus nutzt, um diesen Gentransfer durchzuführen. Es handelt sich um einen Mechanismus, der seit Jahrzehnten vermutet wird.
„Der horizontale Gentransfer ist ein wichtiger Weg, mit dem sich Antibiotikaresistenzen zwischen Bakterienarten bewegen, aber dieser Prozess wurde noch nie zuvor beobachtet, da die beteiligten Strukturen so unglaublich klein sind.“ sagte der Biologe Ankur Dalia der Indiana University Bloomington.
„Es ist wichtig, diesen Prozess zu verstehen, denn je mehr wir darüber verstehen, wie Bakterien DNA teilen, desto größer sind unsere Chancen, ihn zu vereiteln.“
Wie genau Bakterien ihre Pili nutzten, um DNA zu fangen, blieb unklar, teilweise aufgrund der extrem kleinen Größenordnungen. Ein Pilus ist über 10.000 Mal dünner als ein menschliches Haar, was bedeutet, dass er sehr schwer zu beobachten ist.
Was das Team tat – und der Grund dafür, dass diese Bakterien in einem unheimlichen grünen Licht leuchten – war die Entwicklung einer neuen Methode, um sowohl die Pili als auch die DNA mit fluoreszierendem Farbstoff zu bemalen. Als sie das gesamte Set und Kaboodle unter ein Mikroskop legten, konnten sie den Vorgang zum ersten Mal mit eigenen Augen sehen.
Im Video oben auf dieser Seite können Sie dies auf der rechten Seite sehen. Das Bild links zeigt, wie die Szene ohne Farbstoff aussieht.
(Ankur Dalia/Indiana University)
Die Pili werfen eine Schnur durch Poren in der Zellwand, um ein Stück DNA zu schnappen, das sie dann mit höchster Präzision wieder einholen.
„Es ist, als würde man eine Nadel einfädeln“ sagte die Biologin Courtney Ellison .
„Die Größe des Lochs in der äußeren Membran entspricht fast genau der Breite einer in zwei Hälften gebogenen DNA-Helix, was wahrscheinlich auch der Fall ist.“ Wenn es keinen Pilus gäbe, der es lenkt, wäre die Wahrscheinlichkeit, dass die DNA genau im richtigen Winkel auf die Pore trifft, um in die Zelle zu gelangen, praktisch gleich Null.“
Antibiotikaresistenzen können auf verschiedene Weise zwischen Bakterien übertragen werden – und es gibt auch mehrere Mechanismen für den horizontalen Gentransfer. Die Aufnahme von DNA aus der Umgebung wird als Transformation bezeichnet.
Wenn Bakterien sterben, spalten sie sich auf und geben ihre DNA frei, woraufhin andere Bakterien sie einfangen und einbauen können. Wenn das tote Bakterium eine Antibiotikaresistenz aufwies, entwickelt auch das Bakterium, das sich die DNA des toten Bakteriums eingefangen hat, diese Resistenz – und überträgt sie auf seine eigenen Nachkommen.
Auf diese Weise kann sich der Widerstand wie ein Lauffeuer in der Bevölkerung ausbreiten. Und es ist ein großes Problem. gemäß CDC In den USA sind aufgrund von Antibiotikaresistenzen mindestens 23.000 Menschen gestorben.
Durch die Aufklärung der genauen Mechanismen, die Bakterien zur Verbreitung von Antibiotikaresistenzen nutzen, hoffen Forscher, Möglichkeiten zu finden, diese zu verhindern.
Der nächste Schritt besteht darin, herauszufinden, wie sich die Pili genau an der richtigen Stelle an die DNA anheften – zumal das an diesem Prozess beteiligte Protein auf eine noch nie dagewesene Weise mit der DNA zu interagieren scheint.
Und sie hoffen, mit ihrer Methode der Anwendung von Fluoreszenzfarbstoffen auch die anderen Funktionen der Pili beobachten zu können.
„Das sind wirklich vielseitige Anhängsel“ Sagte Dalia . „Diese an der IU erfundene Methode erweitert unser grundlegendes Verständnis über eine ganze Reihe bakterieller Funktionen.“
Die Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Naturmikrobiologie .