In der Natur wie auch in unserem Organismus leben Bakterien überwiegend in organisierten Gemeinschaften, sogenannten Biofilmen. Diese Strukturen spielen eine zentrale Rolle bei den Mechanismen der Antibiotikaresistenz.
In einem Artikel, der in den
Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, konnten Wissenschaftler nach der Überwindung mehrerer technischer Hürden den Transfer von Antibiotikaresistenz-Genen innerhalb dieser Biofilme live beobachten. Sie zeigen die Bedeutung der Form und räumlichen Organisation dieser Gemeinschaften für die Verbreitung von Resistenzen auf.
Abbildung: Bild eines bakteriellen Biofilms.
Escherichia coli, aufgenommen mittels konfokaler Mikroskopie.
Die grünen Bakterien tragen ein Plasmid mit Antibiotikaresistenz. Dieses Plasmid kann auf die roten Bakterien übertragen werden, die dann gelb erscheinen, da sie sowohl grüne als auch rote Fluoreszenz produzieren. Die Fluoreszenz ermöglicht die Identifizierung von Bakterien, die die Resistenz erworben haben. Die Seitenansichten zeigen vertikale Schnitte des Biofilms; das Hauptbild ist eine Draufsicht.
© Knut Drescher Biofilme sind Gruppen von Bakterien, die in Form von Aggregaten zusammenleben. Innerhalb dieser Biofilme können Bakterien DNA-Elemente, sogenannte Plasmide, austauschen. Diese Plasmide können spezielle Gene enthalten, die es den Bakterien ermöglichen, resistent gegen Antibiotika zu werden. Das bedeutet, dass selbst wenn Antibiotika eingesetzt werden, um diese Bakterien abzutöten, diejenigen mit diesen Genen überleben können.
Die Bakterien in den Biofilmen können diese Plasmide behalten und somit ihre Fähigkeit zur Antibiotikaresistenz für die Zukunft bewahren. Es ist, als würden sie eine geheime Waffe bereithalten, falls sie sie benötigen.
Doch wie sieht es mit ihrem Potenzial aus, diese Resistenzen zu erwerben?
Um diese Frage zu beantworten, ist es entscheidend, den Plasmidtransfer zwischen den Bakterien im Biofilm live verfolgen zu können. Hierfür bestanden jedoch mehrere Herausforderungen:
- Die Komplexität der Biofilme mit ihrer dreidimensionalen Struktur erschwert die direkte Beobachtung der Interaktionen zwischen Bakterien.
- Die notwendigen Werkzeuge und Technologien, um diese Austauschprozesse in Echtzeit und auf mikroskopischer Ebene zu beobachten, sind noch nicht ausreichend entwickelt.
- Der Plasmidtransfer kann schnell und sporadisch erfolgen, was die Erfassung mit herkömmlichen Methoden erschwert.
Live-Aufnahmen des Plasmidtransfers in Biofilmen
In einem Artikel, der in der Zeitschrift
PNAS veröffentlicht wurde, ist es Wissenschaftlern gelungen, durch die Entwicklung innovativer genetischer und mikroskopischer Werkzeuge den DNA-Transfer in bakteriellen Gemeinschaften in Echtzeit zu visualisieren. Sie konnten den Prozess der Resistenzentwicklung in strukturierten Biofilmen filmen. Diese ersten Ergebnisse zeigen, dass die physikalische Konfiguration des Biofilms, sobald er dicht und ausgereift ist, die notwendigen Kontakte zwischen gebenden und empfangenden Bakterien einschränkt und somit die Verbreitung der Plasmide verlangsamt. Somit spielt die Architektur der Biofilme eine entscheidende Rolle bei der Übertragung und dem Erwerb von Antibiotikaresistenzen.
Diese Studie zeigt also, dass Biofilme zwar die Aufrechterhaltung der Plasmide nach dem Erwerb der Resistenz begünstigen, jedoch weniger förderlich für den Erwerb neuer Resistenzen sind. Ihre Struktur könnte sogar aktiv die initiale Aufnahme dieser genetischen Elemente begrenzen.
Quelle: CNRS INSB