Die geheime Superkraft der Bakterien

Kleine DNA-Ringe mit großer Wirkung: An der BHT erforscht Doktorandin Michelle A. Bölcke, wie Bakterien Resistenzen gegen Antibiotika entwickeln und weitergeben. Der entscheidende Mechanismus verbirgt sich in einer außergewöhnlichen Fähigkeit der Krankheitserreger.

Person in blauem Kittel und mit blauen Handschuhen füllt mit einer Pipette Flüssigkeit in ein Reagenzglas, an einem Arbeitsplatz mit u. a. weiteren Reagenzgläsern sowie Petrischalen
Bild: BHT

„Ringe der Macht“

Die Anspielung auf eine bekannte Fantasy-Reihe ist kein Zufall. „Ringe der Macht“ nennt Doktorandin Michelle A. Bölcke ihren Vortrag über Antibiotikaresistenzen. Damit trat sie bei „Science Pitches“ an der Berliner Hochschule für Technik (BHT) auf, die das Referat für Nachwuchsförderung und wissenschaftliche Zusammenarbeit (NWZ) organisiert.

Auch bei der Langen Nacht der Wissenschaften hielt sie den Vortrag. „Der Titel funktioniert gut, um Neugier für mein Forschungsthema zu wecken“, sagt die Wissenschaftlerin in ihrem Büro im WAL-Gebäude. Dort befindet sich auch das Labor für Mikrobiologie, in dem sie an ihrer Promotion arbeitet.

Antibiotikaresistenzen scheinen auf den ersten Blick ein Nischenthema zu sein. Tatsächlich handelt es sich um ein globales Problem, das alle Menschen betrifft – und zunimmt. Krankheitserreger können mutieren und unempfindlich gegenüber Antibiotika werden, die sie eigentlich abtöten sollen. Für schwerkranke Patienten kann dies lebensbedrohliche Folgen haben. Nach Angaben des Robert Koch-Instituts sterben in Deutschland jährlich bis zu 9700 Menschen infolge von Antibiotikaresistenzen.

Bakterien leben in Gemeinschaft

Das Problem ist eng verbunden mit einer verblüffenden Fähigkeit der Bakterien: Sie können genetische Informationen untereinander austauschen. Ein zentraler Mechanismus dafür ist die Konjugation, die nach Angaben der Doktorandin maßgeblich zur Verbreitung von Resistenzgenen beiträgt: Dabei verbinden sich die Mikroorganismen und übertragen eine Kopie eines sogenannten Plasmids – eines kleinen, meist ringförmigen DNA-Moleküls. Auf diese spielt die Doktorandin mit ihrem Vortragstitel „Ringe der Macht“ an. „Durch die Konjugation können Bakterien neue Eigenschaften erwerben, die ihnen einen evolutionären Überlebensvorteil verschaffen.“

Der Mechanismus ist auch deshalb so bedeutsam, weil viele Bakterien in Gemeinschaften leben: in sogenannten Biofilmen. Dabei produzieren die Mikroorganismen eine schleimartige Matrix, die wie eine Schutzschicht wirkt. Gleichzeitig erleichtert der enge Zellkontakt den Austausch genetischer Informationen.

Dieser Biofilm entsteht auf nahezu allen Oberflächen, darunter Wasserrohre, Zähne, Hautwunden und medizinische Geräte. Das Problem: Die Schutzschicht macht die Bakteriengemeinschaft deutlich widerstandsfähiger gegenüber Antibiotika als auch vor Desinfektions- und Reinigungsmitteln.

Hand mit blauem Handschuh hält Petrischale mit Flüssigkeit, in die Impföse getaucht wird
Diese Labor-Situation zeigt nicht die „Ringe der Macht“. Der Vortragstitel spielt auf ein ringförmiges DNA-Molekül an, das bei der Verbreitung von Resistenzgenen eine Rolle spielt Bild: BHT
Frau in blauem Kittel an einem Durchflusszytometer im Labor für Mikrobiologie
Michelle A. Bölcke ist im Labor für Mikrobiologie Antibiotika-Resistenzen auf der Spur Bild: BHT
Porträt von Michelle Bölcke im Labor für Mikrobiologie
Promoviert an der BHT und der TU: Michelle A. Bölcke Bild: BHT

Weitergabe der Resistenzen bisher wenig erforscht

In ihrer Promotion untersucht Michelle A. Bölcke, wie sich Resistenzgene innerhalb solcher Biofilme verbreiten. Das Forschungsprojekt, eine Kooperation von BHT und Technischer Universität Berlin (TU), ist in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Elisabeth Grohmann im Fachbereich V angesiedelt.

Im Fokus stehen Krankheitserreger wie Enterokokken und Staphylokokken. Diese grampositiven Bakterien zeichnen sich durch eine besonders dicke Zellwand aus. Wie sie Resistenzgene durch Konjugation weitergeben, ist bislang deutlich weniger erforscht als bei gramnegativen Bakterien wie Escherichia coli.

Fluoreszierendes Gen soll Plasmid-Übertragung zeigen

Um die Weitergabe der Plasmide sichtbar zu machen, plant die Doktorandin, resistente Bakterien zu markieren. Dafür soll ein rot fluoreszierendes Gen in ein Plasmid eingebaut werden.

Wird das Plasmid auf ein anderes Bakterium übertragen, beginnt dieses unter dem Mikroskop rot zu leuchten. Im Labor sollen anschließend künstliche Biofilme erzeugt werden, in denen verschiedene Bakterienarten genetisches Material austauschen.

Derzeit arbeitet Bölcke daran, das fluoreszierende Gen in die Plasmide zu integrieren und ein Verfahren zu entwickeln, mit dem markierte Mikroorganismen erkannt und die Häufigkeit dieser Plasmid-Übertragung ermittelt werden können.

Grafik zeigt, wie ein Spender-Bakterium ein Plasmid mit einem roten Leuchtgen auf ein Empfänger-Bakterium überträgt
Ein Spender-Bakterium überträgt ein Plasmid mit einem roten Leuchtgen auf ein Empfänger-Bakterium. So kann die Weitergabe von Plasmiden und der darauf befindlichen Resistenzgene unter dem Fluoreszenzmikroskop sichtbar gemacht und untersucht werden. Bild: Michelle A. Bölcke (Grafik erstellt mit BioRender)

Strategien gegen Verbreitung resistenter Keime

Ziel des Forschungsprojekts ist es herauszufinden, wie häufig sich Antibiotikaresistenzgene durch Konjugation verbreiten und ob es Unterschiede zwischen grampositiven Bakterienarten gibt. Außerdem will Michelle A. Bölcke bis zum Ende ihrer Promotion im Oktober 2028 herausfinden, welche molekularen Vorgänge an der Konjugation beteiligt sind.

Dieses Wissen könnte dazu beitragen, neue Strategien gegen die Verbreitung resistenter Keime zu gewinnen, etwa indem der Mechanismus der Konjugation gezielt gehemmt wird. Die „Ringe der Macht“ hätten ihre bedrohliche Wirkung verloren.

 

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