Antibiotikaresistenz von Böden in die Klinik?

31.08.2012 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Hier wurden sechs Antibiotika getestet - Normalerweise bildet sich um diese Stellen ein Hof, der frei ist von Bakterien. (Quelle:© iStockphoto.com/ Zmeel Photography)
Hier wurden sechs Antibiotika getestet - Normalerweise bildet sich um diese Stellen ein Hof, der frei ist von Bakterien. (Quelle:© iStockphoto.com/ Zmeel Photography)

Resistenzen gegenüber Antibiotika nehmen stetig zu. Die schnelle Verbreitung und ständige Evolution der Resistenzgene in Bakterien ist eine Herausforderung für die Forschung. Wissenschaftler fanden nun eine Verbindung zwischen multiresistenten Bodenbakterien und menschlichen Krankheitserregern: Sie lieferten Beweise dafür, dass es zu einem Genaustausch zwischen den beiden kam. Dabei wurden auch Resistenzgene übertragen.

Immer häufiger werden Bakterienstämme identifiziert, die gegenüber Antibiotika unempfindlich sind. Sie haben eine sogenannte Antibiotikaresistenz entwickelt. Diese Resistenzen finden sich auch bei bakteriellen Krankheitserregern (sogenannten Pathogenen), die den Menschen befallen. Ernste Folgen hat dies vor allem in Krankenhäusern. Im November 2011 infizierten sich beispielsweise mehrere Säuglinge in einem Bremer Krankenhaus mit Bakterien, die resistent gegenüber Antibiotika waren; Drei Kinder überlebten die Infektionskrankheit nicht. Die zunehmende Resistenz gegenüber Antibiotika ist ein schwerwiegendes Problem, dass nicht nur durch die häufige Verordnung von Antibiotika bei humanmedizinischen Behandlungen verschlimmert wird.

Antibiotika in der Landwirtschaft

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Feuerbrand ist eine Pflanzenkrankheit, die durch das Bakterium Erwinia amylovora verursacht wird und vor allem Kernobst wie Äpfel oder Birnen befällt.

Feuerbrand ist eine Pflanzenkrankheit, die durch das Bakterium Erwinia amylovora verursacht wird und vor allem Kernobst wie Äpfel oder Birnen befällt.

Quelle: © Ninjatacoshell / Wikimedia.org; CC BY-SA 3.0

Auch in der Landwirtschaft wird Antibiotika häufig angewandt. So findet man beispielsweise antibiotikahaltige Pflanzenschutzmittel, welche Pflanzen vor bakteriellen Erkrankungen (z.B. Feuerbrand) schützen sollen. Dadurch wollen die Landwirte die Erträge stabil halten und starke Einbußen oder Ausfälle vermeiden.

Ebenso kommen in der Tiermast antibiotische, also Bakterien abtötende, Medikamente zum Einsatz. Rückstände der Medikamente lassen sich jedoch noch in der Gülle der damit behandelten Tiere finden. Durch das Düngen der Äcker mit Gülle gelangen diese Antibiotika-Rückstände in die Böden und dadurch auch in die Pflanzen, die darauf angebaut werden. 

Doch woher kommen Antibiotika-Resistenzen?

In den Böden lassen sich viele Antibiotika-Resistenzgene finden. Die Böden kommen nicht nur durch die Landwirtschaft direkt in Kontakt mit Antibiotika, sondern bieten auch vielen Bakterien einen Lebensraum, die Antibiotika produzieren. Die Mehrheit aller natürlich produzierten Antibiotika stammen von Bakterien der Gattung Streptomyces. Diese Bakterien produzieren also ein Mittel, das andere Bakterienstämme bekämpft. Zeitgleich haben sie jedoch auch Resistenzgene, die verhindern, dass sie selbst dabei zu Schaden kommen. Bakterien sind sehr anpassungsfähig und entwickeln schnell neue Wege, um Antibiotika unwirksam zu machen. Diese Änderungen im Erbgut (Genom) der Bakterien kann dann an andere weitergeben werden, damit auch sie sich vor dem tödlichen Stoff schützen können. 

Mit modernen molekularbiologischen Methoden (Funktionelle metagenomische Ansätze) testeten Wissenschaftler in einer neuen Studie inwiefern im Boden lebende Bakterien Antibiotika-Resistenzen an Humanpathogene weitergeben können. Dazu übertrugen sie Bodenproben verschiedener Standorte in Medien mit unterschiedlichen Antibiotika. Tatsächlich wuchsen in diesen Kulturen etliche multiresistente Bakterienstämme, darunter auch Proteobakteria, zu denen auch viele humanpathogene Keime gehören. Anschließend wurde das Erbgut der überlebenden Bakterien analysiert. Um die Resistenzgene zu erforschen, wurde die DNA der Bakterien zerstückelt und auf Escherichia coli Bakterienzellen übertragen. Diese Zellen wurden daraufhin wieder mit unterschiedlichen Antibiotika in Berührung gebracht. Nur die Zellen überlebten, die Resistenzgene enthielten. Daraufhin konnte man ausmachen, in welchem Abschnitt der DNA sich die Resistenzgene befanden. So konnte man auch erkennen gegen welche Antibiotikaklassen die Bodenbakterien resistent waren.

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In den Bodenproben fanden die Forscher auch Bakterien der Gattung Ochrobactrum. Hier aufgenommen mit dem Rasterelektronenmikroskop. Sie zählen auch zum Stamm der Proteobakteria.

In den Bodenproben fanden die Forscher auch Bakterien der Gattung Ochrobactrum. Hier aufgenommen mit dem Rasterelektronenmikroskop. Sie zählen auch zum Stamm der Proteobakteria.

Quelle: © The Research Center for Auditory and Vestibular Studies at Washington University

Austausch von Antibiotika-Resistenzgenen

Die Gesamtheit aller bakteriellen Gene oder Abwehrmechanismen, die Antibiotika funktionsunfähig machen bezeichnet man als „Resistom“. Dieses betrachteten die Wissenschaftler in ihrer Studie genauer. Sie entdeckten, dass multiresistente Bodenbakterien - die Resistenzen gegenüber fünf Klassen von Antibiotika (?-Lactame, Aminoglycoside, Amphenicole, Sulfonamide und Tetracycline) aufwiesen - Resistenzgene hatten, die identisch sind mit denen von menschlichen Krankheitserregern. Dazu verglichen sie ihre erzeugten Proben der Bodenbakterien mit bereits vorhandenen Daten über menschliche Pathogene, genauer: deren Erbgut. Sie verglichen also die Resistenzgene von menschlichen Pathogenen mit denen der Bodenbakterien. Die Nukleotide, d. h. die Grundbausteine des Erbguts, waren identisch.

Sie fanden auch heraus, dass sich Resistenzgene clustern und durch transposable Elemente flankiert werden, die durch ihre Mobilität einen Gentransfer ermöglichen.

Damit lieferten die Forscher Beweise dafür, dass die Resistenzgene zwischen Bodenbakterien und menschlichen Krankheitserregern ausgetauscht wurden. Der Austausch von Genen über Artgrenzen hinweg bezeichnet man als horizontalen Gentransfer, der in diesen Fall kürzlich stattgefunden haben muss, da sich die Bakterien schnell anpassen. Resistenzgene verbreiten sich daher durch den Austausch zwischen Bakterien.

Der Einsatz von Antibiotika sollte zurückhaltend erfolgen

Die Studie legt nahe, dass sich die häufige Verwendung von Antibiotika vor allem im landwirtschaftlichen Kontext negativ auf die Wirksamkeit von Antibiotika auswirkt. Die massenhafte Anwendung der Medikamente stimuliert die Resistenzbildung.

Handlungsbedarf sieht auch die Politik. Zumindest im humanmedizinischen Bereich und in der Tierhaltung erarbeitete das Bundesministerium für Gesundheit zusammen mit dem Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie zahlreichen Verbänden und Organisationen die Deutsche Antibiotika-Resistenzstrategie (DART).

Die Ergebnisse verdeutlichen, wie anpassungsfähig Bakterien sind und wie dringlich ein Umdenken beim Antibiotikaeinsatz ist.

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