Bakterien teilen untereinander Resistenzinformationen

Es gibt vielzählige – und immer wieder neue – Mechanismen, durch die Bakterien antibiotikaresistent werden. Sie alle sind jeweils in der genetischen Information der Bakterien kodiert. Einige dieser genetischen Codes finden sich auch auf mobilen DNA-Teilchen, Plasmiden, welche Bakterien unter sich transferieren können. So übertragen sie Antibiotikaresistenzen, auch zwischen unterschiedlichen Arten. Plasmide spielen deshalb eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Verbreitung von Antibiotikaresistenzen. Doch bisher fehlen genaue Kenntnisse darüber, was ihren Austausch zwischen Bakterien begünstigt oder hemmt. Ein Team um Sebastian Bonhoeffer von der ETH Zürich hat nun in einem Forschungsprojekt vertiefte Einblicke in diese Fragen gewonnen – und dabei auch bisher unbekannte Wege bei der Verbreitung von Antibiotikaresistenzen entdeckt.

Erfolgreiche Prognosen zur Weitergabe von Resistenzgenen

Die Forschenden brachten zunächst unter künstlichen Bedingungen verschiedene Bakterienpopulationen zusammen und beobachteten mit eigens entwickelten Methoden, wie schnell sich bestimmte Resistenzplasmide zwischen diesen verbreiten. Dabei fanden sie zahlreiche Faktoren, welche die Geschwindigkeit bestimmen, mit der Plasmide weitergegeben werden. Sowohl der Wirt – das Bakterium, das ein Plasmid abgibt – als auch der Empfänger und das Plasmid selbst sind dabei entscheidend. Aufgrund der Kenntnis diverser möglicher Einflussfaktoren konnten Bonhoeffer und sein Team ein Modell entwickeln, mit dem sich die Verbreitungsgeschwindigkeit von Plasmiden für bestimmte Bakterien und Plasmide prognostizieren lässt. In Tests mit klinisch relevanten Bakterien und Plasmiden, die von Proben aus dem Universitätsspital Basel stammen, bestätigten sich diese Prognosen sowohl unter künstlichen Bedingungen wie im Tierversuch bei der Maus.

Bisher unbekannte Verbreitungswege

Im Tierversuch beobachteten die Forschenden zudem, wie einige Krankheitserreger der Art Salmonella im Darmgewebe eine Behandlung mit Antibiotika überleben, indem sie ihren Stoffwechsel einstellen und in eine Art Tiefschlaf verfallen. Sogenannte Schläfer sind zwar selber nicht antibiotikaresistent, tragen zum Teil jedoch Resistenzplasmide in sich. Die Forschenden zeigten nun erstmals, dass solche Bakterien ihre Resistenzplasmide an andere Bakterienarten weitergeben, wenn sie ihren Stoffwechsel wieder hochfahren.

Basis für Interventionen

Diese Resultate geben einen bisher nicht erreichten detaillierten Einblick in die Rolle von Plasmiden bei der Verbreitung von Antibiotikaresistenzen. Sie zeigen, dass Interventionsmassnahmen nicht nur auf Krankheitserreger zielen sollen, deren Resistenz durch Plasmide ermöglicht wird. Vielmehr sollten sie auch verwandte Bakterien, einschließlich Krankheitserreger, berücksichtigen, da diese als Plasmidreservoire dienen und so die Verbreitung von Resistenzplasmiden fördern können.

Die im Projekt erarbeiteten mathematischen Modelle und bioinformatischen Methoden können bestimmte Situationen erkennen, welche den Austausch von Resistenzinformationen zwischen Erregern begünstigen. Das kann beispielsweise im Krankheitsverlauf von Patienten ermöglichen, rechtzeitig entsprechende Gegenmassnahmen zu ergreifen. Überdies steht damit ein Instrumentarium zur Verfügung, mit dem sich auch Zusammenhänge bei der Verbreitung von Antibiotikaresistenzen zwischen Mensch, Tier und Umwelt detaillierter nachvollziehen lassen.

Stand: Februar 2022

Towards quantification of the contribution of plasmids to the spread of antibiotic resistance