InfectoGnostics-Forscher des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) in Jena haben einen neuen Bakterienstamm charakterisiert, der genetische Eigenschaften von mehreren Stämmen vereint. Der Erreger zählt zu den Methicillin-resistenten Staphylokokken (MRSA) und enthält ein weiteres, spezielles Resistenzgen, welches über Bakteriophagen – Viren, die Bakterien abtöten – mobilisiert und verbreitet werden kann. Die Ergebnisse der Analyse wurden im November 2021 im Fachjournal „Frontiers in Genetics“ (DOI: 10.3389/fgene.2021.723958) publiziert.
Beim Screening eines schwerkranken Patienten wurde im Jahr 2014 in Regensburg ein Bakterienstamm isoliert, der durch ungewöhnliche genetische Eigenschaften auffiel und keinem bereits bekannten MRSA-Stamm zugeordnet werden konnte. Forscher der Abteilung „Optisch-Molekulare Diagnostik und Systemtechnologie“ am Leibniz-IPHT in Jena konnten kürzlich durch eine Charakterisierung des auffälligen Stamms zeigen, dass Mischformen aus unterschiedlichen Bakterienstämmen häufiger vorkommen könnten als bislang angenommen und auch Bakteriophagen eine Rolle bei der Weitergabe von Resistenzgenen spielen.
Resistenz gegen wichtiges Antibiotikum
„Wir haben den Erreger komplett sequenziert und dabei herausgefunden, dass sich ein ungewöhnlich großer Genabschnitt eines speziellen Staphylococcus aureus Stammes direkt in das Genom eines anderen geschoben hat. Dadurch ist eine Art ‚genetisches Mosaik‘ entstanden, das sowohl krankheitsauslösende Faktoren als auch mehrere Resistenzgene in einem MRSA-Stamm vereint“, erläutert die Hauptautorin der Arbeit, Sindy Burgold-Voigt, Doktorandin am Leibniz-IPHT. Ein solches „Mosaik-Genom“ ist nach Einschätzung der Wissenschaftler bei Bakterien der Art S. aureus durchaus ungewöhnlich, wie die Doktorandin weiter ausführt: „Das Kerngenom von Staphylokokken wurde bislang als sehr konstant und beständig gegenüber Änderungen angesehen. Ein riesiger DNA-Einschub, der wie hier fast ein Drittel des gesamten Erbmaterials ausmacht, war zuvor unbekannt.“
Der neu eingefügte Genabschnitt bringt eine sogenannte „Genkassette“ mit, welche auch die für MRSA typischen Antibiotikaresistenzen vermittelt. Doch auch der Teil, der das „Grundgerüst“ des Mosaik-Stamms bildet, verfügt seinerseits über ein zusätzliches Resistenzgen namens dfrG, welches ihn resistent gegen das Antibiotikum Trimethoprim macht. Dieser Wirkstoff wird von der Weltgesundheitsorganisation als „essentielles Medikament“ eingestuft und insbesondere bei Blasenentzündungen oder zur Behandlung spezieller Lungenentzündungen bei AIDS-Patienten eingesetzt.
Phagen können Resistenzgene zwischen Bakterienstämmen verbreiten
Eine besondere Rolle bei der Verbreitung solcher Resistenzgene könnten Bakteriophagen spielen: Das sind Viren, die gezielt Bakterien angreifen, sich mit und in den Bakterien vermehren und am Ende entweder das Bakterium zerstören oder sich in dessen Erbinformation festsetzen. Dabei schleusen Phagen ihr Erbgut zuvor als sogenannte „Prophagen“ in die bakterielle DNA ein.
Eine solche Weitergabe bakterieller Gene über Phagen war bislang ein eher selten beobachteter Mechanismus, wie Sindy Burgold-Voigt erklärt: „Bisher stand meist der Gentransfer über mobile genetische Elemente wie Plasmide und Transposons im Fokus der Infektionsforschung. Bei dem analysierten MRSA-Stamm befand sich nun jedoch ein klinisch hoch-relevantes Resistenzgen auf einem Prophagen. Da Bakteriophagen grundsätzlich auch Gene aus angrenzenden oder ferner-liegenden Abschnitten im Bakterien-Genom in ihrer Proteinhülle verpacken können, trägt wohl auch dieser Mechanismus generell zur Verbreitung von Antibiotikaresistenzen bei.“
Über den InfectoGnostics Forschungscampus Jena
Der InfectoGnostics Forschungscampus Jena beschreitet als öffentlich-private Partnerschaft neue Wege in der Diagnostik von Infektionen und Erregern, wie z.B. Viren, Bakterien und Pilzen. InfectoGnostics wird durch das BMBF im Rahmen der Förderinitiative „Forschungscampus – öffentlich-private Partnerschaft für Innovationen“ mit zusätzlicher Unterstützung durch das Land Thüringen gefördert. Etwa die Hälfte des benötigten Etats finanzieren die beteiligten Partner.
Beim Screening eines schwerkranken Patienten wurde im Jahr 2014 in Regensburg ein Bakterienstamm isoliert, der durch ungewöhnliche genetische Eigenschaften auffiel und keinem bereits bekannten MRSA-Stamm zugeordnet werden konnte. Forscher der Abteilung „Optisch-Molekulare Diagnostik und Systemtechnologie“ am Leibniz-IPHT in Jena konnten kürzlich durch eine Charakterisierung des auffälligen Stamms zeigen, dass Mischformen aus unterschiedlichen Bakterienstämmen häufiger vorkommen könnten als bislang angenommen und auch Bakteriophagen eine Rolle bei der Weitergabe von Resistenzgenen spielen.
Resistenz gegen wichtiges Antibiotikum
„Wir haben den Erreger komplett sequenziert und dabei herausgefunden, dass sich ein ungewöhnlich großer Genabschnitt eines speziellen Staphylococcus aureus Stammes direkt in das Genom eines anderen geschoben hat. Dadurch ist eine Art ‚genetisches Mosaik‘ entstanden, das sowohl krankheitsauslösende Faktoren als auch mehrere Resistenzgene in einem MRSA-Stamm vereint“, erläutert die Hauptautorin der Arbeit, Sindy Burgold-Voigt, Doktorandin am Leibniz-IPHT. Ein solches „Mosaik-Genom“ ist nach Einschätzung der Wissenschaftler bei Bakterien der Art S. aureus durchaus ungewöhnlich, wie die Doktorandin weiter ausführt: „Das Kerngenom von Staphylokokken wurde bislang als sehr konstant und beständig gegenüber Änderungen angesehen. Ein riesiger DNA-Einschub, der wie hier fast ein Drittel des gesamten Erbmaterials ausmacht, war zuvor unbekannt.“
Der neu eingefügte Genabschnitt bringt eine sogenannte „Genkassette“ mit, welche auch die für MRSA typischen Antibiotikaresistenzen vermittelt. Doch auch der Teil, der das „Grundgerüst“ des Mosaik-Stamms bildet, verfügt seinerseits über ein zusätzliches Resistenzgen namens dfrG, welches ihn resistent gegen das Antibiotikum Trimethoprim macht. Dieser Wirkstoff wird von der Weltgesundheitsorganisation als „essentielles Medikament“ eingestuft und insbesondere bei Blasenentzündungen oder zur Behandlung spezieller Lungenentzündungen bei AIDS-Patienten eingesetzt.
Phagen können Resistenzgene zwischen Bakterienstämmen verbreiten
Eine besondere Rolle bei der Verbreitung solcher Resistenzgene könnten Bakteriophagen spielen: Das sind Viren, die gezielt Bakterien angreifen, sich mit und in den Bakterien vermehren und am Ende entweder das Bakterium zerstören oder sich in dessen Erbinformation festsetzen. Dabei schleusen Phagen ihr Erbgut zuvor als sogenannte „Prophagen“ in die bakterielle DNA ein.
Eine solche Weitergabe bakterieller Gene über Phagen war bislang ein eher selten beobachteter Mechanismus, wie Sindy Burgold-Voigt erklärt: „Bisher stand meist der Gentransfer über mobile genetische Elemente wie Plasmide und Transposons im Fokus der Infektionsforschung. Bei dem analysierten MRSA-Stamm befand sich nun jedoch ein klinisch hoch-relevantes Resistenzgen auf einem Prophagen. Da Bakteriophagen grundsätzlich auch Gene aus angrenzenden oder ferner-liegenden Abschnitten im Bakterien-Genom in ihrer Proteinhülle verpacken können, trägt wohl auch dieser Mechanismus generell zur Verbreitung von Antibiotikaresistenzen bei.“
Über den InfectoGnostics Forschungscampus Jena
Der InfectoGnostics Forschungscampus Jena beschreitet als öffentlich-private Partnerschaft neue Wege in der Diagnostik von Infektionen und Erregern, wie z.B. Viren, Bakterien und Pilzen. InfectoGnostics wird durch das BMBF im Rahmen der Förderinitiative „Forschungscampus – öffentlich-private Partnerschaft für Innovationen“ mit zusätzlicher Unterstützung durch das Land Thüringen gefördert. Etwa die Hälfte des benötigten Etats finanzieren die beteiligten Partner.
