Tuberkulose, Pest und Cholera – alles eine Frage der Faltung

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Der Erreger der Pest, Yersinia pestis, (gelb) auf einem Floh (violett). Raster-elektronenmikroskopische Aufnahme, nächträglich eingefärbt. (Foto: National Institute of Allergy and Infectious Diseases, USA)

Während es mit der Karriere der Pest seit dem 14. Jahrhundert rapide bergab ging, stellen Cholera und vor allem Tuberkulose die Welt noch immer vor große Probleme. Dank der vereinten Mühen von Forscherteams aus Bochum, Leipzig und Braunschweig verstehen wir jetzt besser, wie die Bakterien, die diese Krankheiten verursachen, ihren Angriff auf unser Leib und Leben starten.

Wenn es in unserem Körper demokratisch zuginge, hätten wir jeden Tag Stichwahl: Etwa 40 Billionen (eine 4 mit 13 Nullen) eigene Körperzellen besitzen wir – und etwa genausoviele Bakterien tummeln sich auf unserer Haut, unseren Schleimhäuten und im Darm. Eklig? Keineswegs! Ohne Bakterien könnten wir nicht überleben: Sie wehren Krankheitserreger ab und helfen uns bei der Nahrungsverdauung. Da sie viel kleiner sind als unsere eigenen Körperzellen, fallen sie uns (zum Glück) nicht weiter auf. Aber wehe, eine nicht so wohlmeinende Bakterienzelle dringt ein!

Zu den fiesesten Vertretern der bakteriellen Krankheitserreger gehören Yersinia pestis, Yersinia pseudotuberculosis und Vibrio cholerae – die Namen sind Programm. Die Pest weckt heutzutage höchstens noch geistige Bilder von gruseligen mittelalterlichen Gemälden – sie ist inzwischen relativ harmlos und gut behandelbar. Tuberkulose und Cholera sorgen aber nach wie vor für hohe Todeszahlen, vor allem in ärmeren Ländern mit schlechter Trinkwasserversorgung. Um diese Krankheiten bekämpfen zu können, hilft es ungemein, zu verstehen, wie die Bakterien sie auslösen.

Das haben Forscher um Franz Narberhaus von der Ruhr-Uni Bochum jetzt zumindest teilweise aufgeklärt: Yersinia pestis, Yersinia pseudotuberculosis und Vibrio cholerae enthalten “molekulare Thermometer”. Einfach gesagt sind das Moleküle, die bei kühleren Temperaturen anders aussehen als bei höheren. Dringen die Bakterien in unseren Körper ein, erwärmen sie sich schnell auf unsere Körpertemperatur, also 37 °C. Die Thermometer-Moleküle ändern daraufhin ihre Gestalt und das ist das Angriffssignal – die Pest bricht in uns aus!

Wie funktioniert das genau? Bei den Thermometer-Molekülen handelt es sich um RNA. Das sind Kopien von Genen, die auf der DNA liegen. Die Gene auf unserer DNA stellen Baupläne für Proteine dar. So ein Bauplan darf aber nicht im Original, also als Gen selbst, verwendet werden, sondern es wird eine Kopie gemacht, eben die RNA. Der Bauplan auf der RNA wird von einem Enzym abgelesen, das nach dieser Info dann das Protein herstellt. Dabei kann eine RNA hunderte Male hintereinander abgelesen werden, um viele Exemplare eines Proteins herzustellen. Dasselbe passiert auch in den Bakterien, wenn sie Krankheiten auslösen: Die Bakterien brauchen die Proteine, die so hergestellt werden, um unseren Körper zu befallen. Die RNA für diese Proteine kann nun in zwei Zuständen vorliegen: offen und bereit für die Proteinproduktion oder zusammengefaltet und damit unzugänglich für das Enzym, das sie abliest. Und ihr habt es sicher schon erraten, bei Temperaturen um die 37 °C ist die RNA offen, bei niedrigeren Temperaturen ist sie zusammengefaltet. So wird das Bakterium erst so richtig aktiv, nachdem es in unseren Körper gelangt ist. Die Faltung erfolgt durch Verbindungen, die einzelne Wasserstoffatome innerhalb der selben RNA miteinander schließen. Bei höheren Temperaturen werden diese Verbindungen instabil und die RNA schmilzt regelrecht auf.

Die Frage aller Fragen: Kann man das für Medikamente benutzen? Zwei Antworten: “Ja” und “Noch nicht”. Prinzipiell ist es nicht schwierig, Wirkstoffe herzustellen, die das Aufschmelzen der RNA verhindern und damit die Bakterien zur Untätigkeit zwingen. Das Problem ist jedoch, diese Wirkstoffe halbwegs gezielt durch den Körper zu den Bakterien zu bringen. Und dann müssen sie ihn auch noch aufnehmen. Das ist gar nicht so einfach, eine Bakterienzelle – so wie alle Zellen aller Lebwesen – nehmen nicht einfach so irgendeinen Stoff auf, der gerade vorbeischwimmt. Er könnte ja giftig sein. Was in diesem Fall genau der Zweck wäre. Aber um herauszufinden, wie man die Bakterien so auszutricksen kann, dass die so ein Medikament aufnehmen, müssen Wissenschaftler noch ein bisschen weiterforschen. Immerhin, ein Anfang ist gemacht!

Für die Streber unter uns gibt es hier die Original-Publikation (leider nur, wenn man registriert ist): www.pnas.org/content/early/2016/06/10/1523004113.abstract
Righetti F, et al. Proc Natl Acad Sci USA. (2016 Jun 13)

DNA mitgefangen, den Falschen gehangen

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podlesnova/iStock

Früher habe ich immer die „Micky Maus“ gelesen. Ziemlich regelmäßig gab es da Detektivsets als Extras, die ich fleißig benutzt habe, um herauszufinden, wer in meinem Kinderzimmer war. Fingerabdrücke habe ich auch versucht zu nehmen, aber das klappte meist nicht so recht – man braucht wirklich extrem feines Puder und einen sehr weichen Pinsel, habe ich später herausgefunden.

Ob die Spurensicherung so etwas heute noch im Werkzeugkasten hat? Jetzt gibt es schließlich DNA-Fingerprinting, das ist viel besser und genauer! Was aber, wenn meine DNA an jemandes Händen oder Klamotten klebt, von einer Umarmung, einem Händeschütteln, oder einfach nur, weil ich in der vollen U-Bahn unfreiwilligen Körperkontakt hatte? Ja, dann könnte es schon mal passieren, dass die Polizei bei mir klingelt.

Die DNA ist unsere Erbinformation, quasi die Bauanleitung für unseren Körper, und die ist für jeden Menschen einzigartig. Fast jede unserer Zellen enthält DNA, auch unsere Hautzelle. Und die sterben ständig und werden abgestoßen. Wir hinterlassen also überall, wo wir hingehen, unsere DNA – ob wir wollen oder nicht. Dies wurde einem Amerikaner namens Lukis Anderson 2013 beinahe zum Verhängnis. Seine DNA wurde unter den Fingernägeln eines Mordopfers gefunden, er wurde für einige Monate in Untersuchungshaft genommen. Sein „Glück“ war, dass er zum Tatzeitpunkt mit einer Alkoholvergiftung im Krankenhaus war, und somit ein Alibi hatte. Doch wie kam man überhaupt darauf, ihn zu beschuldigen? Nun, dieselben Sanitäter, die sich um Anderson gekümmert hatten, wurden auch an den Tatort des Mordes gerufen (obwohl dem Opfer leider nicht mehr zu helfen war). Diese Sanitäter brachten so Andersons DNA zum Mordopfer.

Das Problem, das wir heutzutage bei der Verbrechensaufklärung haben, sind ironischerweise die immer besseren Nachweismethoden. Früher brauchte man eine sichtbare Menge Material – Blut, ein Haar mit Wurzel, etc, um genügend DNA für eine eindeutige Identifzierung zu bekommen. Heutzutage reichen schon ein paar einzelne Hautzellen, mit bloßem Auge unsichtbar. Um sie zu gewinnen, werden auf Gut Glück Proben von Oberflächen am Tatort und von verschieden Körperstellen des Opfers genommen. Die darin enthaltene DNA wird vervielfältigt und mit bestimmten Methoden untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchung werden mit den Daten bekannte Straftäter verglichen. Wenn der Verdächtige nicht darunter ist, wird ein sogenannter „Screen“ durchgeführt, bei dem mögliche Verdächtige – z-B. Männer eines bestimmten Alters oder Menschen aus einem geografischen Gebiet – zur Abgabe einer DNA-Probe aufgefordert werden. Ihr seht das Problem: Wenn Proben willkürlich aus allen Winkeln des Tatorts und vom Opfer genommen werden, kann natürlich keiner sagen, wie die DNA dorthin gekommen ist. Und die Methode des DNA-Fingerprinting hat inzwischen eine Genauigkeit von eins zu einer Billiarde (das ist eine 1 mit 15 Nullen). Verwechslungen sind also ausgeschlossen.

Gay L. Bush und sein Team an der Universität von Indianapolis in den USA haben eine Studie durchgeführt, in der sie Leute einander zwei Minuten lang die Hand geben ließen. Dann mussten die Probanden jeweils ein Messer in die Hand nehmen – jeder ein anderes, natürlich. Die Messer wurden dann von Forschern, die nicht wussten, wer welches Messer angefasst hatte, auf DNA untersucht. Das beunruhigende Ergebnis: In 85 % der Fälle war die DNA desjenigen, der das Messer nicht in der Hand hatte (dem „Händeschüttelpartner“), deutlich nachweisbar. In 20 % der Fälle interpretierten die Wissenschaftler die Ergebnisse sogar so, dass derjenige, der das Messer nicht in Hand gehabt hatte, der „Haupttäter“ war. Schon ein herzlicher Händedruck kann also so viele Hautzellen übertragen, dass ein Unschuldiger plötzlich sehr verdächtig aussieht – verdächtiger sogar als der echte Schuldige. Also bloß nicht mit dem Falschen kuscheln!

Die Methoden für die Probennahme am Tatort müssen gründlich überdacht und verfeinert werden, denn bisher war dieses Problem nicht bekannt.

Doch es gibt Hoffnung, denn ein Forscherteam um James F. Meadow von der Universität Oregon hat eine weitere Methode gefunden, Menschen eindeutig zu identifizieren: Mit der Mikrobenwolke, die jeder Mensch um sich hat. Mikroben, Bakterien also, leben überall auf und in unserem Körper. Wir beherbergen übrigens etwa zehnmal mehr Bakterienzellen als wir eigene Körperzellen haben. Die Bakterien sind aber so viel winziger als unsere eigenen Zellen, dass das nicht auffällt. Und das ist auch nicht eklig, sondern extrem wichtig, denn unsere Bakterienflora hält uns gesund. Bakterien helfen, die Haut vor Krankheitserregern zu schützen, sie helfen bei der Nahrungsverdauung im Darm und sorgen für ein gesundes Milieu im weiblichen Genitalbereich (Mädels, egal, was die Werbespots sagen – ihr braucht keine speziellen Waschlotions. Die richten nur Schaden an. Lasst mal die Bakterien ihren Job machen, die haben das Millionen Jahre lang gut hingekriegt). Dass wir viele Bakterien beherbergen, wusste die Wissenschaft schon lange – dass die Zusammensetzung der Bakterienflora jedoch individuell so unterschiedlich ist, war bisher nicht bekannt. Das Forscherteam ließ die Probanden einzeln für vier Stunden in einer speziellen Kammer sitzen, um ihre Bakterienwolke zu analysieren. Danach wurde die Kammer sterilisiert und die Probanden kamen wieder, für eine kürzere Zeit. Die Forscher stellten fest, dass sie identifizieren konnten, wer in der Kammer gewesen war, indem sie die zurückgelassene Bakterienwolke analysierten. Noch ist die Methode nicht anwendungsreif, denn nur drei Probanden wurden getestet und das alles in einer sterilen Umgebung, die wirkliche Welt sieht anders aus. Aber auch hier werden genauere Methoden entwickelt werden.

Eine Kombination aus DNA- und Bakterienanalyse könnte in Zukunft Verbrecher eindeutig analysieren. Mörder sollten also ab sofort mit sterilem Ganzkörperanzug und Atemmaske zu Werke gehen. Im Prinzip dürfte man keinen Quadratzentimeter Haut entblößen und die eigene Kleidung niemals mit bloßen Händen berühren. Das könnte schwierig werden!

James F. Meadows Team hat übrigens auch untersucht, wie Rollschuhlaufen sich auf die persönliche Bakterienzusammensetzung auswirkt. Hat da jemand „Ig Nobelpreis“ gesagt?

Die dunkle Seite der Mikrobiologie

Pseudomonas aeruginosa  Photo Credit: Janice Haney Carr Content Providers(s): CDC/ Janice Haney Carr - This media comes from the Centers for Disease Control and Prevention's Public Health Image Library (PHIL), with identification number #10043.Wir haben ein Problem und es wird schlimmer – multiresistente Bakterien. In den Nachrichten hört man immer wieder davon, sie werden „multiresistente Keime/ Erreger“, manchmal auch „multiresistente Krankenhauskeime“ genannt. Dabei handelt es sich um Bakterien, die nicht mehr durch Antibiotika bekämpft werden können. Solche Bakterien können sich zum Beispiel in offenen Wunden ansiedeln und deren Heilung verhindern. Auch unter Erregern von Tuberkulose, Durchfall und Lungenentzündung sind bereits multiresistente Erreger (MRE) aufgetaucht. Besonders häufig hört man dieser Tage von Pseudomonas aeruginosa, einem Krankenhauskeim, der 10 % aller Krankenhausinfektionen verursacht. Dieses Stäbchenbakterium ruft unter anderem Harnwegsinfektionen, Dickdarm- oder Hirnhautentzündungen hervor. Besonders Menschen mit schwachem Immunsystem, z.B. Kinder und ältere Leute oder Menschen mit Vorerkrankungen sind anfällig für die Infektion mit einem solchen MRE. Doch wie konnte es dazu kommen, dass Bakterien immun sind gegen fast jedes bekannte Antibiotikum? Und was können wir auf lange Sicht dagegen tun?

Antibiotika (die Einzahl lautet übrigens „Antibiotikum“) sind Stoffe, die Bakterien (und nur Bakterien – keine Viren!) abtöten können. Sie kommen vielfach in der Natur vor, da sie meistens von Bakterien oder Pilzen produziert und ausgeschieden werden. Die Bakterien und Pilze nutzen sie, um andere Mikroorganismen in ihrer Umgebung in Schach zu halten und möglichst viele Nahrungsquellen für sich zu behalten. Das allererste Antibiotikum, das von einem Wissenschaftler entdeckt wurde, war das Penicillin. Es wird von einem Schimmelpilz namens Penicillium hergestellt. Bereits 1893 konnte Bartolomeo Gosio Penicillin aus dem Pilz gewinnen. Seine Ergebnisse blieben jedoch unbekannt. 1897 veröffentlichte der französische Militärarzt Ernest Duchnese seine Doktorarbeit, in der er beschrieb, dass die Stallknechte im Militärhospital die Sättel der Pferde in einem dunkeln, feuchten Raum aufbewahrten, um die Bildung von Schimmel auf den Sätteln zu fördern. Auf die Frage, warum sie dies täten, antworteten die Stallknechte, dass die wunden Stellen auf den Rücken der Pferde dadurch besser heilten. Duchnese injizierte daraufhin einem Meerschweinchen, das er zuvor mit Typhus infiziert hatte, den Schimmelpilz. Das Meerschweinchen wurde vollkommen gesund.

Seit der Entdeckung des Penicillins wurde viele andere Antibiotika gefunden und jahrzehntelang erfolgreich zur Krankheitsbekämpfung eingesetzt. Doch damit begann auch das Problem. Die DNA von Bakterien verändert sich ständig durch zufällig auftretende Mutationen. Dabei kann es passieren, dass ein Gen entsteht, dass das Bakterium resistent macht gegen ein bestimmtes Antibiotikum. Wenn dieses Bakterium nun zum Beispiel an den Mandeln eines Patienten sitzt, der dieses Antibiotikum einnimmt, wird es nicht sterben. Stattdessen kann es sich rasant vermehren und so den Patienten zu einer Quelle eines resistenten Erregers machen. Von ihm aus kann es sich auf andere Menschen verbreiten.
Auch die Unzuverlässige Einnahme von Antibiotika kann resistente Keime erzeugen. Wenn man frühzeitig aufhört, das verschriebene Antibiotikum einzunehmen, weil man sich besser fühlt, wurden womöglich nicht alle Keime abgetötet. Die noch lebenden Keime können dann Resistenzen entwickeln.
Ein bedeutender – vielleicht der bedeutendste – Faktor heutzutage ist die massenhafte Verabreichung von Antibiotika an Tiere in Schlachthöfen. Damit will man verhindern, dass die Tiere krank werden. Würde ein Tier in Massenhaltung krank, könnte sich die Krankheit durch den engen Kontakt mit seinen Artgenossen rasend schnell in der ganzen Anlage verbreiten. Das will man verhindern und so gibt man extrem hohe Dosen Antibiotika. Wenn wir das Fleisch dieser Tiere essen, nehmen wir die Antibiotika auf und erschaffen dadurch in unserem Körper eine Brutstätte für Keime, die sich nun anpassen und Resistenzen entwickeln müssen.

Was kann die Wissenschaft tun, um diese verheerende Entwicklung aufzuhalten? Eine Abschaffung der Massentierhaltung wäre natürlich wünschenswert, würde aber lange dauern – zu lange. Also müssen schnell neue Antibiotika her. Da man diese aus Bakterien in der Natur gewinnt, könnte man einfach neue Bakterien suchen. Das hat man auch getan. Und festgestellt, dass sie nur Antibiotika herstellen, die schon auf dem Markt sind.
Man nimmt sogar an, dass man alle Bakterien, die sich im Labor kultivieren lassen, bereits kennt. Doch das sind nur etwa 1 % aller bekannten Bakterien! Die restlichen 99 %, die „dunkle Seite“, lassen sich nicht im Labor halten. Wenn man sie auf einem Nährboden versucht zu kultivieren, sterben sie. Was tun? Nun, wenn der Prophet nicht zum Berg kommt, muss der Berg eben zum Propheten kommen, nicht wahr! Die Mikrobiologen Slava Epstein und Kim Lewis haben eine Apparatur erfunden, mit der man Bakterien direkt in der Natur kultivieren kann. Kleine Kammern, die mit einer porösen Membran abgedeckt werden, werden in den Boden eingelassen. Die Poren in der Membran sind so klein, dass nur Bakterien hindurchpassen. Bakterien aus dem Boden können in die Kammern einwandern und dort wachsen. Nach etwa zwei Wochen „erntet“ man die Bakterien und untersucht, ob sie unbekannte Antibiotika produzieren.
Einige kleine Erfolge gab es bereits. Zwei neue Antibiotika namens lassomycin und Teixobactin wurden gefunden. Beide wirken gegen Tuberkulosebakterien und kein untersuchtes Bakterium zeigte Resistenz gegen Teixobactin.

Es besteht also Hoffnung. Dennoch geht die Suche sehr langsam voran und niemand kann vorhersagen, wie schnell neue resistente Keime auftauchen, denen auch die neuen Antbiotika nichts mehr ausmachen. Wer weiß, vielleicht brauchen wir eine ganz neue Herangehensweise in der Bekämpfung von bakteriellen Krankheiten. Ich bin neugierig, was den Wissenschaftlern einfällt und halte euch auf dem Laufenden!