Bakterien tauschen schnell genetische Informationen aus, einschließlich Codierung für Antibiotikaresistenz

Mikroben haben eine schnelle und effektive Möglichkeit entwickelt, genetische Informationen, die für Antibiotikaresistenzen kodieren, auszutauschen, andere Funktionen.
So wie das digitale Zeitalter Menschen den sofortigen Austausch von Informationen ermöglicht, scheinen auch Bakterien, die mit Menschen und ihren Nutztieren in Verbindung stehen, durch einen Mechanismus namens horizontaler Gentransfer (HGT) frei und schnell genetisches Material im Zusammenhang mit menschlichen Krankheiten und Antibiotikaresistenzen auszutauschen.
Forschungsleiter Eric Alm von der Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen des MIT und der Abteilung für Biotechnik erklärt in einem in Nature online veröffentlichten Artikel, dass er und sein Team Beweise für ein enormes Netzwerk des jüngsten Genaustausches gefunden haben, das Bakterien aus der ganzen Welt verbindet: 10.000 einzigartige Gene, die über HGT zwischen 2.235 bakteriellen Genomen fließen.
Wissenschaftler wissen seit langem über HGT, eine uralte Methode für Bakterien aus verschiedenen Abstammungslinien, um nützliche genetische Informationen zu erwerben und zu teilen, die sie nicht von ihren Eltern geerbt haben. Sie wissen, dass, wenn ein übertragenes Gen mit einem erwünschten Merkmal versehen wird, zum Beispiel Antibiotikaresistenz oder Pathogenität, es eine positive Selektion erfahren und an den Nachkommen eines Bakteriums weitergegeben werden kann. Dies kann für den Menschen schädlich sein, wie es bei der Vermehrung antibiotikaresistenter Bakterienstämme in sogenannten "Superbabies" beobachtet wird.
Bis jetzt wussten die Wissenschaftler nicht, wie viel oder wie schnell diese Informationen ausgetauscht wurden. MIT-Forscher haben es jedoch geschafft, das enorme Ausmaß und die schnelle Geschwindigkeit zu veranschaulichen, mit der sich Gene über bakterielle Linien vermehren können.
Alm, der Associate Professor von Karl Van Tassel erklärt:

"Wir finden [vollständig] identische Gene in Bakterien, die so unterschiedlich sind wie ein Mensch zu einer Hefe. Dies zeigt, dass der Transfer neu ist; das Gen hatte keine Zeit zu mutieren."

Computational Systems Biology Student Chris Smillie, einer der Hauptautoren des Papiers sagt:

"Wir waren überrascht, dass 60% der Transfers zwischen human-assoziierten Bakterien ein Gen für Antibiotikaresistenz beinhalten."

Diese Resistenzgene könnten mit der Verwendung von Antibiotika in der industriellen Landwirtschaft in Verbindung gebracht werden, da die Forscher 42 Antibiotikaresistenz-Gene entdeckten, die zwischen Nutztieren und mit Menschen assoziierten Bakterien geteilt wurden. Dies zeigt eine entscheidende Verbindung, die Pools von Arzneimittelresistenzen in menschlichen und landwirtschaftlichen Populationen verbindet.

Alm Kommentare:

"Obwohl eine Milliarde Jahre Genom-Evolution ein Bakterium trennt, das von einer Kuh lebt, und einem Bakterium, das von einem Menschen lebt, greifen beide auf die gleiche Genbank zurück. Es sind starke Indizien dafür, dass Gene zwischen Nahrungstieren und Menschen übertragen werden."

Die Forscher identifizierten außerdem 43 unabhängige Fälle von Antibiotika-Resistenz-Genen, die zwischen den Nationen kreuzen. Mark Smith, Mikrobiologiestudent und auch ein Hauptautor der Studie warnt:

"Dies ist ein echtes internationales Problem. Sobald ein Merkmal in den human-assoziierten Genpool eindringt, verbreitet es sich schnell, ohne Rücksicht auf nationale Grenzen."

Die USA haben eine weitverbreitete Praxis, prophylaktische Antibiotika zu Tierfutter hinzuzufügen, um das Wachstum zu fördern und die Ausbreitung von Krankheiten in dicht untergebrachten Herden und Herden zu verhindern. Dies ist in vielen europäischen Ländern verboten. Die Federal Drug Administration gibt an, dass über 80% der 33 Millionen Pfund Antibiotika, einschließlich Penicilline und Tetracycline, die üblicherweise als Humanarzneimittel verwendet werden, 2009 in den USA für landwirtschaftliche Zwecke verkauft wurden, wobei 90% sub-therapeutisch über Nahrung und Wasser verabreicht wurden.
Die Forscher entdeckten, dass CHGT häufiger bei Bakterien vorkommt, die dieselbe Körperstelle besetzen, die gleiche Sauerstofftoleranz teilen oder die gleiche Pathogenität aufweisen. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass Ökologie oder Umweltorte wichtiger sind, ob ein übertragenes Gen in die DNA eines Bakteriums inkorporiert und an seine Nachkommen weitergegeben wird, als entweder eine Abstammungslinie oder eine geografische Nähe bei der Bestimmung.
Alm erklärt:

"Dies gibt uns ein Regelwerk, um die Kräfte zu verstehen, die den Genaustausch steuern."

Durch die Anwendung dieser Regeln zur Entdeckung von Genen, die mit Meningitis und anderen Krankheiten in Verbindung gebracht werden können, hofft das Team, dass übertragene Merkmale und Gene, die diese Eigenschaften kodieren, den Weg für besonders vielversprechende Ziele für zukünftige medikamentöse Therapien ebnen könnten.
Sie setzen ihre Arbeit fort und vergleichen derzeit die Wechselkurse zwischen Bakterien, die an verschiedenen Stellen derselben Person leben, und Bakterien, die an oder in Menschen leben, die an derselben Krankheit leiden. Sie untersuchen auch eine umweltbelastete Stelle, um festzustellen, welche vertauschten Gene die mikrobielle Reinigung durch metallreduzierende Bakterien erleichtern könnten.
Co-Autoren der Nature Paper sind Doktorand Jonathan Friedman, Postdoc Otto Cordero und ehemaliger Doktorand Lawrence David, jetzt an der Harvard University.
Die Forschung ist Teil des Human Microbiome Project der National Institutes of Health und wurde vom ENIGMA Scientific Focus Area des Department of Energy und der National Science Foundation finanziert.
Geschrieben von: Petra Rattue