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Bakterien produzieren antibakteriellen Wirkstoff

Darmbakterien schützen Schädling vor Krankheitserregern

| Redakteur: Marc Platthaus

Die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) zeigt, dass bakterielle Enterococcus Zellen (gelb) in hoher Dichte an der Schleimschicht kleben, die die Darmwand überzieht.
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Die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) zeigt, dass bakterielle Enterococcus Zellen (gelb) in hoher Dichte an der Schleimschicht kleben, die die Darmwand überzieht. (Bild: Yongqi Shao, Universität Zhejiang, Hangzhou, China)

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Bakterien verteidigen ihren Lebensraum mit teils extremen Methoden, wie das Beispiel des Symbiose-Bakteriums Enterococcus mundtii zeigt. Wissenschaftlern unter Leitung des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie konnte erstmals nachweisen, dass sie das Toxin Mundticin absondern, um so ihren Wirt, einen Baumwollwurm, zu schützen.

Jena – Der Afrikanische Baumwollwurm Spodoptera littoralis ist ein besonders im Mittelmeerraum weit verbreiteter und gefürchteter Landwirtschaftsschädling. Er hat ein sehr breites Nahrungsspektrum und befällt Gemüse, Obst, Blumen und Feldfrüchte. Das Insekt ist neuen Erkenntnissen zufolge deshalb so erfolgreich, weil es eine Symbiose mit einem Bakterium in seinem Darm eingegangen ist.

Bereits 2012 konnten Forscher der Abteilung Bioorganische Chemie am Max-Planck-Institut in Jena zeigen, dass sich das Mikrobiom von Spodoptera littoralis, also die Gesamtheit aller Mikroorganismen, die diesen Schädling besiedelt, im Laufe der Larvenentwicklung stark verändert. Während im frühen Larvenstadium noch verschiedene Arten der Gattung Enterococcus zu finden waren, dominierten bei ausgewachsenen Raupen kurz vor der Verpuppung Bakterien der Art Enterococcus mundtii. Krankheitserreger, wie die verwandten Arten Enterococcus faecalis und Enterococcus casseliflavus, waren aus dem Mikrobiom der Raupen nahezu verschwunden. Diese Erkenntnisse veranlassten die Wissenschaftler, die Faktoren näher zu untersuchen, die die Zusammensetzung des Mikrobioms im Verlauf der Entwicklung der Insekten beeinflussen.

Konkurrierende Bakterien werden verdrängt

Die Forscher um Wilhelm Boland kultivierten daher Enterococcus-Bakterien für so genannte Agardiffusionstests: Mit dieser Methode kann gezeigt werden, welche Bakterien sich in einem Medium bei Anwesenheit anderer Mikroorganismen ausbreiten und welche in ihrem Wachstum gehemmt werden. Dabei entdeckten sie, dass die im Raupendarm dominanten Enterococcus mundtii Bakterien eine chemische Substanz in das Medium abgeben, die das Absterben der anderen Bakterienarten verursacht. Kollegen aus dem Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie identifizierten anschließend die Substanz: Es handelt sich um das Peptid Mundticin KS, ein so genanntes Bacteriocin, das von Bakterien abgesondert wird, um konkurrierende Bakterienstämme zu verdrängen.

Raupe (oben und Mitte) und Puppe (unten) des Baumwollwurms Spodoptera littoralis, die mit dem Krankheitserreger Enterococcus faecalis infiziert wurden. Enterococcus mundtii im Darm gesunder Raupen hält diesen pathogenen Konkurrenten in Schach und verhindert eine Infektion.
Raupe (oben und Mitte) und Puppe (unten) des Baumwollwurms Spodoptera littoralis, die mit dem Krankheitserreger Enterococcus faecalis infiziert wurden. Enterococcus mundtii im Darm gesunder Raupen hält diesen pathogenen Konkurrenten in Schach und verhindert eine Infektion. (Bild: Yongqi Shao, Universität Zhejiang, Hangzhou, China)

Weitere Untersuchungen zeigten, dass Enterococcus mundtii die Substanz quasi als körpereigenes Antibiotikum im Raupendarm produziert. Die Forscher versuchten, Raupen, die mit den Symbiose-Bakterien vergesellschaftet waren, mit dem Darmkeim Enterococcus faecalis zu infizieren. Der Erreger konnte jedoch dank der Symbionten erfolgreich aus dem Darm verdrängt werden. Raupen, die einen Enterococcus mundtii-Stamm ohne das Gen für die Synthese von Mundticin in ihrem Darm hatten, waren gegen eine Infektion mit dem Erreger hingegen machtlos. Bekamen die infizierten Raupen Mundticin mit ihrer Nahrung verabreicht, gingen die Darmerreger innerhalb von 24 Stunden um mehr als 60 Prozent zurück.

Empfindliche Balance von Ernährung und Stoffwechsel

„Mundticin ist somit das erste mikrobielle Stoffwechselprodukt aus dem Darm eines Organismus, von dem wir wissen, wie es die Zusammensetzung der Darmflora beeinflusst“, erklärt Boland. Welche Mikroorganismen im Darm überleben und welche absterben, wird aber auch von der Nahrung und den darin enthaltenen sekundären Pflanzeninhaltsstoffen bestimmt. „Das Mikrobiom ist das Ergebnis einer sehr empfindlichen Balance von Sekundärmetaboliten aus der pflanzlichen Nahrung und den Stoffwechselprodukten sowohl der Insekten selbst als auch der die Insekten besiedelnden Mikroorganismen.“ Dieses Zusammenspiel wird derzeit genauer untersucht.

Viele Schmetterlingslarven richten in der Landwirtschaft große Schäden an. Zu ihrer Bekämpfung werden immer wieder auch Bakterien zur biologischen Schädlingsbekämpfung eingesetzt. „Grundlegende Kenntnisse über die Wirkungsweise von Bakteriocinen sowie die Identifizierung von Genen, die Resistenz gegen die Wirkstoffe verleihen, könnten maßgeblich dazu beitragen, die Schädlingskontrolle mithilfe bakteriocinresistenter Bakterien zu verbessern,“ sagt Erstautor Yongqi Shao, der seine Untersuchungen in Jena durchgeführt hat und seit 2015 an der Zhejiang Universität in Hangzhou, China, forscht. Auch für die medizinische Forschung liefert die Studie interessante Ansätze, denn Bacteriocine gelten als mögliche Alternativen zu konventionellen Antibiotika, gegen die in den letzten Jahren bedrohliche Resistenzen entstanden sind.

Originalpublikation: Shao, Y., Chen, B., Sun, C., Ishida, K., Hertweck, C., Boland, W.; Enterococcus mundtii controls the development of the gut microbiome in the lepidoteran Spodoptera littoralis; Cell Chemical Biology; January 2017 (doi: 10.1016/j.chembiol.2016.11.015)

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