Mikrobiologie bakterieller Resistenzen: Vom Gen zum Phänotyp
Wie Resistenz entsteht: Die genetischen Grundlagen
Mutationen: Zufällige Veränderungen
Bakterien können durch Mutationen, also zufällige Fehler in ihrer DNA, Resistenzen entwickeln.
Diese Mutationen können die Struktur eines Proteins verändern, gegen das ein Antibiotikum wirkt, sodass das Medikament nicht mehr passt oder wirkt.
Beispielsweise kann eine Mutation die Form eines Ribosoms (der Proteinfabrik in der Zelle) leicht verändern, sodass Antibiotika wie Makrolide nicht mehr binden können.
Horizontal Gene Transfer: Sharing Resistance
Im Gegensatz zum Menschen können Bakterien nützliche Gene problemlos weitergeben – sogar zwischen verschiedenen Arten. Dieser sogenannte horizontale Gentransfer erfolgt auf drei Arten:
Konjugation: Bakterien verbinden sich über eine winzige Brücke, den sogenannten Pilus, und geben Plasmide (kleine DNA-Kreise) mit Resistenzgenen weiter.
Transformation: Bakterien nehmen freie DNA-Fragmente von toten Bakterien in ihrer Umgebung auf.
Transduktion: Viren, die Bakterien infizieren (sogenannte Bakteriophagen), können versehentlich Resistenzgene von einem Bakterium auf ein anderes übertragen.
Plasmide und Transposons
Plasmide und Transposons spielen eine wichtige Rolle bei der Verbreitung von Antibiotikaresistenzen unter Bakterien. Plasmide sind kleine, ringförmige DNA-Moleküle, die vom Bakterienchromosom getrennt sind und mehrere Resistenzgene tragen können. Durch Konjugation können sie sich leicht zwischen Bakterien bewegen und so eine schnelle Weitergabe von Resistenzmerkmalen innerhalb und zwischen Arten ermöglichen. Transposons, auch springende Gene genannt, sind DNA-Segmente, die sich aus einer DNA-Stelle herausschneiden und an einer anderen einfügen können – darunter Plasmide oder das Bakterienchromosom. Diese Mobilität ermöglicht es Transposons, Resistenzgene auf Plasmide zu übertragen, was deren Weitergabe durch Bakterien noch einfacher macht. Zusammen bilden Plasmide und Transposons ein leistungsstarkes System, mit dem sich Bakterien schnell anpassen und in Gegenwart von Antibiotika überleben können.
Expression von Resistenzgenen
Sobald ein Bakterium ein Resistenzgen besitzt, muss es dieses exprimieren, damit die Resistenz funktioniert:
Die DNA wird in RNA transkribiert.
Die RNA wird in Proteine (wie Enzyme oder Pumpen) übersetzt.
Diese Proteine erfüllen Funktionen zum Schutz der Bakterien (z. B. Abbau des Antibiotikums, Auspumpen oder Blockieren seines Eintritts).
Arten von Resistenzgenen
Bakterien können verschiedene Arten von Resistenzgenen tragen, die ihnen jeweils eine einzigartige Möglichkeit bieten, Antibiotika zu bekämpfen. Manche Gene produzieren Enzyme, die das Antibiotikum abbauen oder modifizieren, wie beispielsweise β-Lactamase-Enzyme, die Penicillin und verwandte Medikamente zerstören. Andere kodieren Effluxpumpen – Proteine, die Antibiotika aktiv aus der Bakterienzelle pumpen, bevor sie Schaden anrichten können. Manche Resistenzgene verändern den Zielort des Antibiotikums in der Zelle, sodass das Medikament nicht mehr richtig binden kann, wie beispielsweise veränderte Ribosomen oder modifizierte Enzyme. Andere Gene können sogar Bypass-Wege schaffen und Bakterien helfen, alternative Wege zu finden, um lebenswichtige Prozesse durchzuführen, die das Antibiotikum zu blockieren versucht. Zusammen verleihen diese Gene Bakterien mächtige Überlebenswerkzeuge, die es ihnen ermöglichen, einem oder mehreren Antibiotika gleichzeitig zu widerstehen.
Wie aus Genen Phänotypen werden
Sobald ein Bakterium ein Resistenzgen besitzt, muss es dieses exprimieren, um im realen Leben resistent zu werden. Dies geschieht durch
Transkription und Translation
Der Gencode wird zum Aufbau von Proteinen (wie Enzymen oder Pumpen) verwendet.
Regulation
Manche Gene sind immer aktiviert, andere nur bei Bedarf (z. B. bei Antibiotika).
Widerstand im Labor erkennen
In mikrobiologischen Laboren ermitteln Wissenschaftler Resistenzphänotypen mithilfe von
