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Kampf gegen Superbugs mit ihrem eigenen Gen-Editing-System

Uns fehlen Antibiotika, um die arzneimittelresistenten Bakterien zu behandeln, die in den letzten Jahren entstanden sind. Allein in den USA infizieren arzneimittelresistente Tuberkulose, Staphylokokken und andere Superbakterien mehr als 2 Millionen Menschen und fordern jedes Jahr mindestens 23.000 Menschenleben. Jetzt zeigt eine neue Studie, wie Ingenieure einen Weg gefunden haben, eine der Waffen der Superbugs auf sich selbst zu stellen.
Superbugs wie MRSA haben Gene erworben, die sie mit Antibiotika praktisch unbehandelbar machen.

Schreiben in Natur Biotechnologie, Timothy Lu, Associate Professor für Bioingenieurwesen und Elektrotechnik und Informatik am Massachusetts Institute of Technology (MIT), und Kollegen erklären, wie sie CRISPR (Clustered regelmäßig interspaced kurze palindromische Wiederholungen) verwendet - ein Gen-Editing-System, das Bakterien zu verwenden Verteidige dich vor einem Virusangriff - ziele auf die Superbugs selbst ab.

Die meisten Antibiotika arbeiten, indem sie wesentliche bakterielle Prozesse wie Zellteilung und Proteinsynthese stören. Aber Superbakterien wie MRSA (Methicillin-resistent Staphylococcus aureus) und CRE (Carbapenem-resistent Enterobacteriaceae) haben Gene erworben, die sie mit Medikamenten, die auf diese Weise wirken, praktisch unbehandelbar machen.

Prof. Lu sagt, wir befinden uns in einem "entscheidenden Moment" mit "immer weniger neuen Antibiotika, aber immer mehr Antibiotika-Resistenzen."

Prof. Lu und sein Team haben nach neuen Wegen zur Bekämpfung von Antibiotikaresistenzen gesucht, und das neue Papier beschreibt eine solche Strategie.

Forscher verwendeten einen Teil des Immunsystems des Superbären gegen sich selbst

CRISPR ist ein Teil des Immunsystems von Bakterien, das ihnen hilft, Bakteriophagen (Viren, die Bakterien infizieren) zu bekämpfen. Es enthält Anweisungen für die Herstellung von Werkzeugen in Form von Proteinen. Ein solches Protein, genannt Cas9, ist ein Enzym, das DNA schneidet. Es hängt an einen RNA-Führer, der ihm sagt, wo er schneiden soll.

In ihrer Studie beschreiben Prof. Lu und Kollegen, wie sie diese Eigenschaft von CRISPR gegen Bakterien nutzen. Sie entwarfen ihren eigenen RNA-Leitfaden, um Gene für Antibiotikaresistenz zu targetieren. Ein solches Gen kodiert für ein Enzym, das als NDM-1 bekannt ist.

Bakterien, die das NDM-1-Gen tragen, gehören zu den arzneimittelresistentesten Superbären überhaupt. Das Gen erlaubt ihnen, einer breiten Palette von Beta-Lactam-Antibiotika, einschließlich Carbapenemen, zu widerstehen. NDM-1-Gene werden normalerweise auf Plasmiden getragen - DNA-Ringe, die vom bakteriellen Genom getrennt sind - was es für sie einfacher macht, sich auf andere Bakterienpopulationen auszubreiten.

Durch die Verwendung von CRISPR mit Cas9 für NDM-1 konnten die Forscher selektiv mehr als 99% der Bakterien, die NDM-1 trugen, abtöten - während Antibiotika, gegen die die Bakterien resistent waren, kaum eine von ihnen töteten.

Dann nutzten sie das System, um ein anderes Gen namens SHV-18 anzugreifen, eine Mutation im bakteriellen Chromosom, die sie gegen Chinolon-Antibiotika resistent macht. Es ist auch bekannt, ein Virulenzfaktor bei enterohämorrhagischen zu sein E coli, eine Belastung, die schwere lebensmittelbedingte Krankheiten verursachen kann.

Der gleiche Ansatz könnte verwendet werden, um Bakterienstämme in gemischten Populationen selektiv abzutöten

Als zusätzlichen Bonus stellte das Team fest, dass sie mithilfe ihrer einzigartigen genetischen Signaturen CRISPR dazu bringen konnten, bestimmte Bakterien in gemischten Kolonien selektiv anzugreifen und zu töten. Dies eröffnet die Aussicht auf "Mikrobiom-Bearbeitung" - mit einem Scharfschützen-Ansatz anstelle des Scatter-Guns, das Breitband-Antibiotika verwenden.

In ihrer Studie demonstrierte das Team erfolgreich zwei Möglichkeiten, CRISPR auf Bakterien auszurichten. Eine Methode verwendete gentechnisch veränderte Bakterien, um die CRISPR-Gene auf Plasmiden zu tragen (die sich leicht auf die Zielbakterien ausbreiten), und die anderen verwendeten Viruspartikel, die an die Bakterien binden, um die Gene zu injizieren.

Sie zeigten auch, dass das CRISPR - System zu einer erhöhten Überlebensrate bei Waxworm - Larven führte, die mit einer schädlichen Form von Wurmlarven infiziert waren E coli.

Das Team testet derzeit das System an Mäusen und freut sich auf den Tag, an dem die Technologie modifiziert werden kann, um Infektionen zu behandeln und unerwünschte Bakterien in Menschen zu entfernen.

Ahmad Khalil, Assistenzprofessor für Biomedizintechnik an der Boston University, der nicht an der Studie beteiligt war, sagt:

"Diese Arbeit stellt eine sehr interessante genetische Methode zum gezielten Abtöten antibiotikaresistenter Bakterien dar, die im Prinzip helfen könnte, die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen zu bekämpfen, die durch eine übermäßige Breitspektrumbehandlung ausgelöst werden."

Die National Institutes of Health, das Office of Naval Research, die Defence Threat Reduction Agency, das US Army Research Laboratory, das US Army Research Office und die Ellison Foundation leisteten einen Beitrag zur Forschung.

Im August 2014 schrieb ein Team des MIT-Koch-Instituts für Integrative Krebsforschung Natur, zeigte, wie CRISPR eine schnellere Untersuchung der Rolle von Mutationen in der Tumorentwicklung ermöglicht.

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