Bakterien unter Beschuss

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rubin | herbst 13
RUB-Forscher auf der Suche nach neuen Antibiotika
Bakterien
unter Beschuss
Eine komplizierte OP ist erfolgreich verlaufen, und trotzdem schwebt der Patient
in Lebensgefahr. Im Krankenhaus hat er
sich eine Infektion eingefangen, und kein
Antibiotikum schlägt an. Aufgrund des exzessiven Einsatzes der Medikamente sind
die Bakterienstämme gegen alle Antibiotika resistent geworden. Werden demnächst
keine neuen Antibiotika entdeckt, könnte
dieses Szenario Alltag werden. Um das zu
verhindern, forscht Juniorprofessorin Dr.
Julia Bandow (Abb. 2) mit der Nachwuchsgruppe Mikrobielle Antibiotikaforschung
nach neuen antibiotischen Wirkstoffen.
In der Natur produzieren zum Beispiel
Pilze und Bakterien antibiotische Stoffe. Mittlerweile werden einige Antibiotika aber auch synthetisch hergestellt. Der
Mensch setzt sie ein, um schädliche Bakterien abzutöten und so Krankheiten zu verhindern oder zu heilen. Bakterien sind jedoch äußerst anpassungsfähig und entwickeln schnell Abwehrmechanismen gegen
die Medikamente (Info 1). „In zehn Jah-
ren schlägt möglicherweise keins der derzeit zugelassenen Antibiotika mehr an, da
die Bakterien gegen alle Wirkstoffe resistent
geworden sind“, sagt Julia Bandow. Denn
trotz dieser düsteren Prognosen haben
Pharmafirmen die Antibiotikaforschung
bereits heute weitgehend eingestellt, unter
anderem weil die Gewinne wegen der kurzen Therapiedauer relativ gering ausfallen.
Also sind andere Forschungseinrichtungen gefragt. Julia Bandow widmete sich der
Antibiotikaforschung schon in ihrer Promotion und sucht auch heute noch nach
neuen Wirkstoffen gegen Bakterien. Gemeinsam mit fünf Partnern stellte sie
2009 das Projekt „Innovative Antibiotika
aus NRW“ (InA, Info 2) auf die Beine. Das
Team um Bandow sucht nach jenen natürlich antibakteriell wirkenden Stoffen, die
bisher nicht bekannt sind und deswegen
noch nicht als Pharmazeutika eingesetzt
werden. Da diese jedoch selten sind, versuchen die Forscher darüber hinaus, Antibiotika im Labor herzustellen. Synthetische
Medikamente könnten den Vorteil haben,
Abb. 2: Juniorprofessorin Dr. Julia Bandow (rechts) testet Substanzen auf ihre antibiotischen Eigenschaften. Das Bakterium Streptomyces
rimosus (große braune Kolonien oben rechts in der Petrischale) produziert das Antibiotikum und sondert es in den umgebenden Nährboden
ab (links). In diesem Bereich können keine anderen Bakterien (kleine Kolonien) wachsen.
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Abb. 1: Auf der Suche nach neuen Antibiotika: Proteinanalysen geben
erste Einblicke in den Wirkmechanismus potenzieller Medikamente.
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info 1
entstehung Von resistenZen
Bakterien vermehren sich äußerst schnell und sind gut darin, sich ihrer Umwelt anzupassen. Durch Mutationen entwickeln sie zufällig Mechanismen, die die Wirkung der
Antibiotika stören oder verhindern. Sie erkennen die Medikamente zum Beispiel als
toxische Substanzen und pumpen sie aus der Zelle. Nach dem Prinzip der evolutionären Selektion überleben eben diese mutierten Zellen besonders gut und pflanzen sich
erfolgreich fort. Durch diesen Prozess werden Bakterien nach und nach gegen Antibiotika resistent. Schon der Entdecker des Penicillins, Alexander Fleming, warnte Anfang des vergangenen Jahrhunderts davor, dass antibiotische Medikamente irgendwann ihre Wirkung verlieren, wenn sie zu oft oder nicht korrekt angewendet werden.
Abb. 3: Proteom-Analyse: Mit 2D-Gelen untersuchen
die Mikrobiologen die Proteinausstattung von Zellen.
Zunächst füttern sie die Bakterien mit radioaktiven
Vorstufen von Proteinen; diese bauen die Bakterien
in alle Proteine ein, die sie neu herstellen. Anschließend isolieren die Forscher die Proteine und trennen sie unter anderem nach ihrer Größe auf. Jeder
Fleck auf dem hier gezeigten Autoradiogramm repräsentiert ein bestimmtes Protein; je größer der Fleck,
desto höher die Menge des neu synthetisierten Proteins. Grün: Proteine, die Bakterien ohne Antibiotikabehandlung bilden. Gelb: Proteine, die Bakterien mit
und ohne Antibiotikabehandlung bilden. Rot: Proteine, die Bakterien nur nach Antibiotikabehandlung
bilden; hier nach Behandlung mit Cerulenin, einem
Hemmer der Fettsäurebiosynthese. Die nach der Behandlung gebildeten Proteine (rot, beschriftet) sind
für die Synthese der Zellmembran wichtig.
dass die Bakterien langsamer Resistenzen
gegen sie entwickeln, weil sie ihnen vollkommen unbekannt sind.
Einige der synthetischen Substanzen,
die die Forscher auf ihre antibiotischen Eigenschaften prüfen, liefert der RUB-Lehrstuhl für Anorganische Chemie I von Prof.
Dr. Nils Metzler-Nolte. Die Chemiker testen sie außerdem auf Zytotoxizität, also ob
sie neben den Bakterien auch menschliche
Zellen angreifen. Wenn die Substanzen für
menschliche Zellen harmlos sind, gehen
die antibiotischen Wirkstoffe an die Mikrobiologen zurück. „Wir sind darauf spezialisiert herauszufinden, wie genau diese
chemischen Substanzen die Bakterienzellen töten“, erklärt Bandow. Denn um für
ein potenzielles Antibiotikum eine Zulassung als Arzneimittel zu erlangen, muss
bekannt sein, wie genau die Substanz die
lebenswichtigen Prozesse eines Bakteriums
stört. Um den Wirkmechanismus zu ent-
schlüsseln, verglich Bandows Team die Proteinausstattung von unbehandelten Bakterien mit der Proteinausstattung von Bakterien, die sie mit einer antibiotischen Substanz behandelt hatten (Abb. 3). Antibiotika
greifen in bestimmte Prozesse in der Zelle ein, sie hemmen zum Beispiel wichtige Proteine für den Aufbau der Zellmembran. Dieser Störung versuchen die Bakterien entgegenzuwirken, indem sie mehr
membranaufbauende Proteine herstellen.
Finden die Forscher nach der Antibiotikabehandlung also vermehrt Proteine, die Bestandteile für die Zellmembran herstellen,
ist das ein Indiz dafür, dass die getestete
Substanz in genau diesen Prozess eingreift.
Insgesamt 2.500 Substanzen testete das
InA-Konsortium. Bei 60 von ihnen fanden
die Mikrobiologen eine vielversprechende
antibiotische Aktivität, 25 waren außerdem
ungefährlich für menschliche Zellen. Von
diesen potenziellen Antibiotika klärt Julia
Bandows Gruppe die Wirkmechanismen
auf. Eine der Erfolg versprechenden Substanzen enthält gleich drei Reste, die jeweils aus einem Kohlenwasserstoffanteil
und einem Metallatom bestehen. Diese sogenannten organometallischen Reste sind
miteinander über ein Rückgrat aus Peptidnukleinsäuren, kurz PNA, verknüpft; das
PNA-Rückgrat ist ein DNA-ähnliches Molekül mit Peptidbindungen (Abb. 4). Da es in
dieser Form in der Natur nicht vorkommt,
ist es für Bakterien schwer abbaubar – ein
Hindernis bei der Entwicklung von Resistenzen, hoffen die Forscher.
Das organometallische PNA-Molekül attackiert die Bakterien gleich auf mehreren
Wegen (Abb. 5). „Die PNA greift die Bakte-
PF6
Fe
N
N N
N
O
O
OC
OC
Mn
CO
O
N
H
N
N
O
Re
N
CO
CO
CO
N
H
Abb. 4: Strukturformel eines potenziellen neuen Antibiotikums. Das PNA-Rückgrat (rot) ist mit drei organometallischen Resten verbunden, die einen Eisenkomplex (Fe), einen Mangankomplex (Mn) beziehungsweise einen Rheniumkomplex (Re) beinhalten. Als Gegenion für das positiv geladene PNA-Molekül dient
das negative geladene Ion Hexafluorophosphat (PF6-).
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Kontrolle
FcPNA
RcPNA
Nisin
Abb. 5: Wirkmechanismus entschlüsseln: Die PNASubstanz mit Eisenkomplex (FcPNA) und ohne Eisenkomplex (RcPNA) unterzogen die Mikrobiologen
einer Reihe von Tests (a bis d) und stellten sie dem
Antibiotikum Nisin gegenüber, welches als Konservierungsmittel in Lebensmitteln dient. Die Kontrollzellen wurden nicht behandelt. a) Das grün fluoreszierende Protein MinD ist normalerweise an
den Zellpolen lokalisiert (Kontrolle). Die Antibiotikabehandlung lässt die übliche Ionenverteilung an
der Zellmembran (Protonengradient) zusammenbrechen. Das hat zur Folge, dass MinD sich in der
Zelle verteilt. b) Nisin sorgt als einzige der hier gezeigten Substanzen für Löcher in der Zellmembran,
durch die der rot fluoreszierende Farbstoff eindringen kann. In Zellen, die mit PNA behandelt wurden, dringt der Farbstoff nicht ein, weil die Membran intakt bleibt. c) Lichtmikroskopische Aufnahmen von Zellen, die mit Methanol/Essigsäure fixiert
wurden. Alle gezeigten Antibiotika schädigen die
Zellwand, sodass die darunter liegende Membran
sich ausstülpt. d) PNA mit Eisenkomplex löst oxidativen Stress in Bakterienzellen aus, angezeigt durch
den rot fluoreszierenden Farbstoff.
a)
5 µm
b)
5 µm
c)
5 µm
d)
5 µm
rienmembran an. Sie stört somit die Diffusionsbarriere, die das Innere der Zelle
von der äußeren Umgebung trennt“, sagt
Bandow. Dadurch bricht etwa der Energiehaushalt zusammen. Zusätzlich behindert
die PNA die Synthese der Zellwand, also
der äußeren Hülle des Bakteriums, die die
Zellmembran umgibt. „Das bringt die Stabilität der Zelle in Gefahr“, so die Bochumer Biologin.
Um die Wirkung des Antibiotikums
weiter zu verstärken, fügten die Forscher
in dem PNA-Molekül einen eisenhaltigen
organometallischen Rest ein. Der Eisenkomplex bedingt, dass in der Zelle reaktionsfreudige Sauerstoffverbindungen entstehen, die die DNA und die Proteine der
Bakterien schädigen; man spricht von oxidativem Stress. Auch ohne diese zusätzliche Komponente kann die PNA Bakterien abtöten. Der Eisenkomplex fügt dem
neuen Antibiotikum jedoch einen weiteren Wirkmechanismus hinzu. So benötigen die Bakterien noch mehr Zeit, um Resistenzen zu entwickeln. „Dass eine Zelle
sich gegen mehrere Angriffe gleichzeitig
wehren kann, ist eben unwahrscheinlicher,
als wenn man mit nur einer einzigen Kugel
schießt“, erklärt Bandow.
Insgesamt vier Substanzen prüfen Bandows Projektpartner nun in Tierversuchen.
Sollten die potenziellen Medikamente auch
diesen Test erfolgreich bestehen, würden
sie anschließend in klinischen Studien
untersucht, bevor sie tatsächlich auf den
Markt kommen. Außerdem entwickeln
die RUB-Chemiker derzeit weitere Sub-
stanzen. „Von mindestens zweien wollen
wir den Wirkmechanismus noch aufklären“, so Bandow. Da die Projektförderung
bald ausläuft, bemühen die Wissenschaftler sich derzeit um eine Folgefinanzierung.
Sollte die Forschung des InA-Projekts weiter so vielversprechend verlaufen wie bisher, könnte am Ende der langwierigen Suche die Entdeckung eines neuen Antibiotikums stehen.
tst
info 2
Antibiotikaforschung in NRW
Das Projekt „Innovative Antibiotika aus NRW“ (InA) wird im Rahmen von „BIO.NRW.red“
gefördert, einem Programm der NRW-Landesregierung für den Bereich Biotechnologie. Dadurch hat sich NRW zu einem wichtigen Standort für die Antibiotikaforschung
entwickelt. Das Konsortium besteht aus insgesamt sechs Partnern: An der Ruhr-Universität sind die Nachwuchsgruppe Mikrobielle Antibiotikaforschung von Juniorprofessorin Dr. Julia Bandow und der Lehrstuhl für Anorganische Chemie I von Prof. Dr.
Nils Metzler-Nolte beteiligt. Weitere Expertise kommt von Prof. Dr. Heike Brötz-Oesterhelt an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, Prof. Dr. Hans-Georg Sahl an der
Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn sowie den beiden Unternehmen Squarix biotechnology aus Marl und AiCuris in Wuppertal, einer Ausgründung der Bayer Pharma AG.
Weitere Infos: www.rub.de/ina
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Herausgeber
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in Verbindung mit dem Dezernat Hochschulkommunikation (Abteilung Wissenschaftskommunikation) der Ruhr-Universität Bochum
Wissenschaftlicher Beirat
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Glei (Fakultät für Philologie), Prof. Dr.
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und Astronomie), Prof. Dr. Ulrich Kück
(Fakultät für Biologie), Prof. Dr.-Ing. Ulrich Kunze (Fakultät für Elektrotechnik
u. Informationstechnik), Prof. Dr. Alfred
Ludwig (Fakultät für Maschinenbau),
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(Medizinische Fakultät), Prof. Dr. Käte
Meyer-Drawe (Fakultät für Philosophie
und Erziehungswissenschaft), Prof. Dr.
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