Wenn die Evolution eine Abkürzung nimmt

Nathalie Jahn aus der Arbeitsgruppe Bakteriengenetik der Universität Jena hat ein sogenanntes Toxin/Antitoxin-System in B. subtilis detailliert charakterisiert. Foto: Jan-Peter Kasper/FSU

Bacillus subtilis ist ein winziges stäbchenförmiges, etwa zwei bis fünf Mikrometer langes Bakterium, das in den oberen Schichten des Bodens weit verbreitet ist.

Im Gegensatz zu seinen nahen Verwandten Bacillus anthracis (Milzbranderreger) und Bacillus cereus (Lebensmittelkeime) sind diese Mikroben völlig harmlos und ein beliebter Modellorganismus für Mikrobiologen.

Doch durch den Einbau bestimmter krankmachender Gene (sogenannter Virulenz-Gene) aus pathogenen Erregern können auch relativ harmlose Bakterien zu gefährlichen Keimen werden. Und das ganz spontan, in freier Natur.

Wie, das erklärt die Biologin Jahn: „Virulenz-Gene gelangen über sogenannte mobile Elemente von einem Bakterium in ein anderes“, sagt die Nachwuchswissenschaftlerin, die in diesem Sommersemester ihre Doktorarbeit an der Universität Jena abgeschlossen hat.

Unter mobilen Elementen verstehen die Forscher kurze Erbgut-Abschnitte, die ihre Position innerhalb des Bakterienchromosoms verändern können. Infolge solcher Positionswechsel komme es aber auch regelmäßig zur Übertragung in andere Bakterienarten, so Jahn.

Eine solche „Abkürzung der Evolution“ kann für die Mikroorganismen von Vorteil sein, weil sie sich mit „neuen“ Genen direkt und schnell auf veränderte Umweltbedingungen einstellen können und nicht erst künftige Generationen von Genveränderungen profitieren.

Damit die Gene aber nicht so schnell, wie sie in die Bakterien gelangt sind, diese wieder verlassen, sind einige mobile Elemente mit einem effizienten Mechanismus versehen, der für einen stabilen Einbau in das Bakteriengenom sorgt.

Mit dem Gift wird gleichzeitig ein Gegengift hergestellt

Einen derartigen Mechanismus hat Natalie Jahn in ihrer Promotionsarbeit in der Arbeitsgruppe von PD Dr. Sabine Brantl aufgeklärt. „Einige mobile Elemente sind mit einem Toxin/Antitoxin-System versehen“, erläutert sie. „Dieses Toxin/Antitoxin-System sorgt dafür, dass die Bakterienzelle bei Verlust des mobilen Elements einen Giftstoff produziert, der die Bakterienzelle töten kann.“

Mit dem Gift wird aber gleichzeitig auch ein Gegengift hergestellt, das das Toxin unschädlich macht und dem Bakterium das Weiterleben ermöglicht. Da das Toxin deutlich langlebiger ist, muss das Antitoxin stetig nachproduziert werden, um das Überleben der Bakterienzelle zu sichern, und das ist nur bei stabilem Erhalt des mobilen Elements im Chromosom möglich.

In den vergangenen Jahren sind in zahlreichen Bakterien-Chromosomen solche Toxin/Antitoxin-Systeme entdeckt worden und haben das Interesse der Forscher geweckt. In ihrer Doktorarbeit hat Natalie Jahn nicht nur den Wirkungsmechanismus eines Toxin/Antitoxin-Paares in Bacillus subtilis aufgeklärt, das sie in ihrer Diplomarbeit identifiziert hatte, und die bisher vorherrschende Lehrmeinung dazu revidiert. Sie hat auch gemeinsam mit anderen Mitarbeitern der Arbeitsgruppe ein neues, bisher unbekanntes Toxin/Antitoxin-System in diesen Bakterien untersucht und charakterisiert.

Die Kenntnisse dieser Regelprozesse dienten in erster Linie der Grundlagenforschung, unterstreicht Dr. Brantl. „Wir können daran lernen, wie Virulenz-Gene oder auch Resistenzen gegenüber Antibiotika stabil in bakteriellen Genomen verankert werden.“ Langfristig lassen sich so neue Angriffspunkte zur Behandlung bakterieller Infektionen aufspüren, so die Leiterin der Arbeitsgruppe Bakteriengenetik der Uni Jena weiter. „Wenn wir einen Weg finden, gezielt das Antitoxin in den Bakterien auszuschalten, könnte das entsprechende Toxin seine ganze Wirkung entfalten und die Erreger sterben ab.“ Auf diese Weise würden die Bakterien zielgenau und quasi mit ihren eigenen Waffen geschlagen.

Weiterführende Literatur:
Meissner, Christin; Jahn, Natalie; Brantl, Sabine. In Vitro Characterization of the Type I Toxin-Antitoxin System bsrE/SR5 from Bacillus subtilis (2016) JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY, Volume: 291, Issue: 2, Pages: 560-571

Jahn, Natalie; Brantl, Sabine; Strahl, Henrik. Against the mainstream: the membrane-associated type I toxin BsrG from Bacillus subtilis interferes with cell envelope biosynthesis without increasing membrane permeability (2015) MOLECULAR MICROBIOLOGY, Volume: 98, Issue: 4, Pages: 651-666

Kontakt:
Natalie Jahn, PD Dr. Sabine Brantl
Arbeitsgruppe Bakteriengenetik, Friedrich-Schiller-Universität Jena
Philosophenweg 12, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 949575, 03641 / 949570
E-Mail: natalie.jahn[at]uni-jena.de, sabine.brantl[at]uni-jena.de

http://www.uni-jena.de

Media Contact

Dr. Ute Schönfelder idw - Informationsdienst Wissenschaft

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie

Der innovations-report bietet im Bereich der "Life Sciences" Berichte und Artikel über Anwendungen und wissenschaftliche Erkenntnisse der modernen Biologie, der Chemie und der Humanmedizin.

Unter anderem finden Sie Wissenswertes aus den Teilbereichen: Bakteriologie, Biochemie, Bionik, Bioinformatik, Biophysik, Biotechnologie, Genetik, Geobotanik, Humanbiologie, Meeresbiologie, Mikrobiologie, Molekularbiologie, Zellbiologie, Zoologie, Bioanorganische Chemie, Mikrochemie und Umweltchemie.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreiben Sie einen Kommentar

Neueste Beiträge

KI-basierte Software in der Mammographie

Eine neue Software unterstützt Medizinerinnen und Mediziner, Brustkrebs im frühen Stadium zu entdecken. // Die KI-basierte Mammographie steht allen Patientinnen zur Verfügung und erhöht ihre Überlebenschance. Am Universitätsklinikum Carl Gustav…

Mit integriertem Licht zu den Computern der Zukunft

Während Computerchips Jahr für Jahr kleiner und schneller werden, bleibt bisher eine Herausforderung ungelöst: Das Zusammenbringen von Elektronik und Photonik auf einem einzigen Chip. Zwar gibt es Bauteile wie MikroLEDs…

Antibiotika: Gleicher Angriffspunkt – unterschiedliche Wirkung

Neue antimikrobielle Strategien sind dringend erforderlich, um Krankheitserreger einzudämmen. Das gilt insbesondere für Gram-negative Bakterien, die durch eine dicke zweite Membran vor dem Angriff von Antibiotika geschützt sind. Mikrobiologinnen und…

Partner & Förderer