Neues Nachweisverfahren für Antibiotika-Resistenz: Mutationen geben Leuchtsignale

Wissenschaftler aus dem Deutschen Krebsforschungszentrum und den Universitäten Heidelberg und Bielefeld entwickelten ein hochempfindliches Testverfahren, das diese Genveränderung auf der Ebene des Einzelmoleküls nachweist und damit Auskunft über den Resistenzstatus eines Infizierten gibt.

Vielen Antibiotika-Resistenzen liegen spezifische Mutationen im Erbgut der Erreger zugrunde. Bei bedrohlichen Infektionen ist es für den Patienten überlebenswichtig, schnell zu klären, welches Medikament ihm hilft. Die gängigen Methoden zum Resistenznachweis nehmen aber gerade bei Mikroorganismen wie den Tuberkuloseerregern, die in der Kulturschale nur sehr langsam wachsen, zuviel Zeit in Anspruch.

Wissenschaftler um Dr. Jens-Peter Knemeyer aus der Abteilung Funktionelle Genomanalyse im Deutschen Krebsforschungszentrum kombinieren ein Hybridisierungsverfahren, bei dem sich kleine DNA-Sonden hochspezifisch ausschließlich an die mutierte Gensequenz binden, mit der Technik der konfokalen Mikroskopie: Die DNA-Sonden sind mit einem Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt, der unter Laserlicht aufleuchtet. Dieses Leuchtsignal erscheint jedoch nur dann, wenn die Sonde sich an ihre Zielsequenz auf dem Bakterienerbgut anlagert. „Ungebundene“ Sondenmoleküle geben kein Signal ab. Jeder dieser Mini-Lichtblitze, die entstehen, wenn sich Sonde und Zielmolekül aneinander binden, weist ein einziges mutiertes DNA-Molekül nach.

Durch die Messung der Dauer und der Abklingzeiten der Lichtblitze unterscheiden die Forscher ein echtes Messergebnis vom allgegenwärtigen Hintergrundleuchten: Aufgrund chemischer Eigenschaften der beteiligten Moleküle klingt die spontane Fluoreszenz wesentlich schneller ab als das Signal der Farbstoff gekoppelten Sonde.

Der Nachweis der Resistenz verursachenden Punktmutation im Erbgut des Tuberkelbazillus ist nur eine von zahlreichen Einsatzmöglichkeiten der so genannten Einzelmolekül-Fluoreszenz-Spektroskopie. Das Verfahren bietet einen großen Vorteil: Statt, wie beim Nachweis der Antibiotika-Resistenz, die Lichtblitze in einer Probenlösung zu erfassen, kann die Untersuchungsmethode auch in lebenden Zellen durchgeführt werden. Dr. Jörg Hoheisel, Leiter der Abteilung Funktionelle Genomanalyse im Deutschen Krebsforschungszentrum, erklärt: „Ebenso gut wie DNA-Mutationen können wir mit geeigneten Sonden alle Moleküle in einer Zelle nachweisen, die kennzeichnend für eine bestimmte Erkrankung sind. Da einzelne Moleküle nachgewiesen werden, ist der Test hochempfindlich – trotzdem aber zuverlässig, weil wir über die Abklingzeiten eine interne Kontrolle haben.“

Identification of single-point mutations in mycobacterial 16S rRNA sequences by confocal single-molecule fluorescence spectroscopy. Nicole Marmé, Achim Friedrich, Matthias Müller, Oliver Nolte, Jürgen Wolfrum, Jörg D. Hoheisel, Markus Sauer und Jens-Peter Knemeyer, Nucleic Acids Research Band 34 2006. DOI: 10.1093/nar/gkl495