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Mit Bakterien gegen Bakterien

Genetisch veränderte Bodenbakterien stellen antimikrobielles Peptid her

Bakterien
Der antimikrobielle Wirkstoff Pediocin erzeugt deutlich erkennbare freie Stellen im Bakterienrasen (rechts), die blaugrüne Fluoreszenz der Bakterien links zeigt ebenfalls die Präsenz des Wirkstoffs an. © Christian Riedel /Universität Ulm

Neue Waffen gegen Erreger: Harmlose Bodenbakterien könnten künftig als Helfer gegen Krankheitserreger wie Listerien fungieren. Denn Forscher haben die Bakterien mittels Gentechnik in effiziente „Fabriken“ eines wirksamen Gegenmittels gegen Listerien umgewandelt. Das von ihnen produzierte Peptid zerstört die Zellmembran der Erreger und tötet sie dadurch ab. Das Pediocin könnte damit zumindest für bestimmte krankmachende Bakterien zur Antibiotika-Alternative werden.

Angesichts der zunehmenden Ausbreitung von Antibiotika-Resistenzen benötigt die Medizin dringend neue, schärfere Waffen gegen bakterielle Krankheitserreger. Weltweit suchen Forschungsteams nach solchen antibakteriellen Wirkstoffen – beispielsweise mithilfe von Molekül-Datenbanken, systematischen Tests von bereits zugelassenen Medikamenten oder auch gezielter Synthese neuer Chemikalien.

Ein Peptid gegen krankmachende Listerien

Eine weitere Quelle antimikrobieller Wirkstoffe sind die Bakterien selbst: Um sich unliebsame Nahrungskonkurrenten vom Leib zu halten, produzieren viele im Boden und anderen natürlichen Umwelten vorhandenen Mikroben Substanzen, die verhindern sollen, dass sich andere Bakterienstämme in ihrer Umgebung ausbreiten. Es ist daher kein Zufall, dass einige der heute bekannten Antibiotika-Klassen auf Bodenbakterien oder Schimmelpilze zurückgehen.

Eine schon seit längerem bekannte antimikrobielle Substanz ist das Pediocin PA-1. Dieses Peptid wird unter anderem von Milchsäurebakterien wie Lactobacillus oder Pediococcus produziert und bereits zur Lebensmittelkonservierung eingesetzt. Es tötet Bakterien ab, indem es sich an bestimmte Rezeptoren der Zellmembran anlagert, wodurch diese aufreißt. Besonders wirksam ist das Peptid gegen die in Rohmilch vorkommenden Listerien, die schwere Infektionen verursachen können.

Bacteriocin-Herstellung mit mikrobiellem Helfer

Das Problem jedoch: Die Produktion von Pediocin PA-1 mithilfe von Milchsäurebakterien ist bisher nur in aufwendigen Fermentationsprozessen möglich und erfordert komplexe und teure Nährmedien. Das resultierende Stoffgemisch lässt sich für den medizinischen Einsatz nicht gut genug reinigen. „Für die klinische Anwendung solcher Bacteriocine braucht es neuartige, großtechnische Verfahren, die es möglich machen, die Effizienz der Produktion und die Reinheit des Stoffes massiv zu verbessern“, erklärt Seniorautor Christian Riedel von der Universität Ulm.

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Eine mögliche Lösung dafür haben nun Riedel und sein Team gefunden. Sie haben ein schon lange als biotechnologischer „Helfer“ eingesetztes Bakterium gentechnisch so verändert, dass es Pediocin mit hoher Effektivität und in Reinform herstellt. Dafür schleusten sie die genetische Bauanleitung für das entsprechende Gen in das Bodenbakterium Corynebacterium glutamicum ein. Anders als die Milchsäurebakterien wächst diese Mikrobe in einfachen Nährmedien ohne Fermentation oder Milchzusatz.

Ein weiteres Plus: „Corynebacterium glutamicum hat keine Rezeptoren, an denen das Pediocin andocken kann. Es ist daher resistent gegen dessen antibakterielle Wirkung“, erklärt Erstautor Oliver Goldbeck von der Universität Ulm.

Effektiv und mit hoher Reinheit

Erste Tests ergaben: Die genetisch umgerüsteten Bodenbakterien produzierten bis zu zehn Mikrogramm Pediocin pro Milliliter. Dies sei vergleichbar und in TeiIen sogar höher als bei der gängigen Herstellung mit Milchsäurebakterien, berichten die Forscher. Zudem liegt das Pediocin weitgehend in Reinform vor. „Das von Corynebacterium gewonnene Pediocin enthielt erheblich weniger Verunreinigungen als ähnliche Präparationen von Pediococcus-Lösungen“, so Riedel und sein Team.

Die Genügsamkeit des in Laboren weltweit kultivierten Bakteriums macht es zudem relativ leicht, den gewünschten Stoff in großer Menge herstellen zu lassen: Statt teurer Nährlösungen reichen ihm sogar Abfallstoffe aus der Holzindustrie als Substrat. „Dies macht es für unsere Bakterien möglich, Zucker und organische Säuren aus den Holzabfällen zu verwerten, um daraus schließlich die antimikrobiellen Peptide zu bilden“, sagt Riedel.

Nach Ansicht der Wissenschaftler sprechend die ersten Ergebnisse dafür, dass sich Pediocin und möglicherweise auch andere Bacteriocine von Corynebacterium in ausreichender Reinheit und Menge für medizinische Anwendungen herstellen lässt. (Metabolic Engineering, 2021; doi: 10.1016/j.ymben.2021.09.002)

Quelle: Universität Ulm

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