Der kleine Unterschied im Erbgut von Bakterien

Rund fünf Millionen Menschen sterben weltweit jährlich an Durchfallerkrankungen. Auslöser sind meist Mikroorganismen wie Bakterien und Viren, die über verschmutztes Trinkwasser oder Nahrungsmittel in den Magen-Darm-Trakt gelangen.

Zu bestimmen, um welchen Krankheitserreger es sich dann handelt, ist sehr aufwändig. Forscher des Braunschweiger Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) haben jetzt in Zusammenarbeit mit chilenischen Wissenschaftlern ein sehr genaues Diagnoseverfahren entwickelt.

Ihre Methode basiert darauf, kurze, sich wiederholende DNA-Abschnitte im Erbgut der Bakterien nachzuweisen. Diese Wiederholungen sind sehr charakteristisch für jeden Bakterienstamm. „Mit dieser Methode können wir Bakterienstämme identifizieren, aber auch Verwandtschaftsverhältnisse klären und zeigen, wie neue, gefährlichere Varianten entstehen“, sagt Manfred Höfle, Forscher am HZI.

Die Ergebnisse veröffentlichte jetzt das Wissenschaftsmagazin „Applied and Environmental Microbiology“ in seiner aktuellen Ausgabe. Die Arbeit entstand im Rahmen der von der Europäischen Union geförderten Projekte „Healthy-Water“ und „AQUA-chip“. Manfred Höfle koordiniert beide Projekte, die sich mit verschiedenen Aspekten der mikrobiologischen Sicherheit von Trink- und Meerwasser beschäftigen.

Im Trink- und Meerwasser kommt eine Reihe von Bakterien vor, die beim Menschen Krankheiten auslösen. Eine dieser Bakterien-Gattungen sind Vibrionen. Ihr bekanntester Vertreter, Vibrio cholerae, ist der Auslöser der Cholera, die in Europa bis in das 20. Jahrhunderts grassierte. Jedoch sind nicht alle Vibrio cholerae-Stämme für den Menschen gefährlich. Durchfälle lösen nur bestimmte Stämme aus, die ein Bakteriengift produzieren, das die Darmwand angreift. Ein weniger bekanntes, aber dennoch gefährliches Mitglied der Vibrionen-Familie ist der Erreger Vibrio parahaemolyticus. Der Keim ist hoch infektiös und bereits ein Dutzend aufgenommene Bakterien reichen aus, um einen schweren Durchfall auszulösen.

Dieser Erreger bedroht den gesamten pazifischen Raum und hat im 21. Jahrhundert die Ostküste der USA erreicht. Seit Ende der Neunziger führten Vibrio parahaemolyticus-Epidemien in Chile zu tausenden von Krankheitsfällen. Aufgrund von Ballastwasser und Klimaveränderungen könnte dieser Erreger in Zukunft auch in Europa an Bedeutung gewinnen. Wie beim Cholera-Erreger existieren von Vibrio pareahaemolyticus verschiedene Stämme, die unterschiedlich gefährlich sind. Sie voneinander zu unterscheiden, war bisher sehr schwierig und aufwändig.

Die neu entwickelte Methode der HZI-Forscher ermöglicht es nun, hunderte Stämme in kurzer Zeit zu charakterisieren und voneinander zu unterscheiden. Sie basiert auf dem Vorkommen von kurzen, sich wiederholenden DNA-Abschnitten im Erbgut aller Lebewesen. Da diese Abschnitte sich aneinander anreihen wie Fahrradfahrer auf einem Tandem-Fahrrad, nennen Wissenschaftler sie „tandem repeats“, Tandem-Wiederholungen. Sie sind kennzeichnend für jeden Bakterienstamm. Um einen bestimmten Stamm zu identifizieren, nutzen die Forscher kurze, mit verschiedenen Farben markierte DNA-Fragmente. Diese erkennen eine Wiederholung der „tandem repeats“ genau und binden sich an sie. Die Forscher erhalten dann zum Beispiel sechs rote Fragmente, die ein Tandem aus sechs Wiederholungen markieren. Anschließend werten die Wissenschaftler diese nun farbigen DNA-Abschnitte aus: Bei jedem einzelnen Bakterienstamm unterscheidet sich das Muster der Größe und Farbe der gemessenen Tandems voneinander.

„Wir können heute mehr als 120 Stämme von Vibrio parahaemolyticus mit dieser Methode voneinander unterscheiden“, sagt Manfred Höfle. Wichtig sei dies für Infektionen, in denen geklärt werden müsse, welcher Bakterienstamm der Auslöser des Durchfalls ist, ob es ein oder mehrere Erreger-Stämme sind und woher diese stammen. Letzteres kann auch dabei helfen, die Gefahr einer weiteren Verbreitung durch entsprechende Maßnahmen entgegenzuwirken. „Vibrio parahaemolyticus wird häufig durch den Verzehr von rohen Muscheln aufgenommen, die kontaminiertes Meerwasser filtrieren. Mit unserer Methoden können wir sagen, aus welcher Art von Muschel der Erreger stammt.“ Die neue Technik dient auch dazu, andere bakterielle Krankheitskeime zu charakterisieren und zu erforschen, wie die Evolution pathogener Bakterien in der Umwelt voranschreitet. „Hiermit leistet diese hochauflösende Bakteriendiagnostik einen Beitrag zum schnellen und genauen Erkennen von Erregern mit pandemischem Potential“

Oiginalartikel: Multiple-Locus Variable-Number Tandem-Repeat Analysis for Clonal Identification of Vibrio parahaemolyticus Isolates by Using Capillary Electrophoresis. Erika Harth-Chu, Romilio T. Espejo, Richard Christen, Carlos A. Guzmán, and Manfred G. Höfle. Appl. Environ. Microbiol. 2009; 75: 4079-4088