Modell kann Entwicklung von Antibiotikaresistenzen bei Bakterien voraussagen

(04.03.2021) Ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Uni Köln und der Universität in Uppsala (Schweden) hat ein Modell erstellt, das beschreiben und vorhersagen kann, wie sich Antibiotikaresistenzen bei Bakterien entwickeln.

Die Resistenzen gegen Antibiotika entstehen durch eine Vielzahl von Mechanismen. Eine zentrale und bisher ungelöste Frage ist, wie die Resistenzentwicklung das Zellwachstum bei unterschiedlichen Wirkstoffkonzentrationen beeinflusst.

Universität zu Köln Die Forscherinnen und Forscher entwickelten nun ein Modell, das Wachstumsraten und Resistenzniveaus gängiger resistenter Bakterienmutanten bei unterschiedlichen Medikamentendosierungen vorhersagt.

Diese Vorhersagen werden durch empirische Wachstumshemmungskurven und genomische Daten von Escherichia coli-Populationen bestätigt. Die Studie wurde im Fachjournal Nature Ecology & Evolution veröffentlicht.

Resistenzen entstehen durch Evolution. Bakterien verändern ihr Genom und werden unempfindlicher gegen Medikamente. Resistenzmutationen haben für die Bakterien allerdings in Abwesenheit von Antibiotika oft einen Preis.

Die mutierten Zellen wachsen zwar in Gegenwart des Medikaments stärker, in einer medikamentenfreien Umgebung ist das Wachstum allerdings geringer als beim antibiotika-anfälligen Wildtyp.

„Die Zellen müssen die Entscheidung über Resistenz optimieren. Wir haben ein Modell erstellt, das diesen Prozess beschreibt“, so Erstautorin Fernanda Pinheiro vom Institut für Biologische Physik der Uni Köln.

Sie vergleicht dies mit einem Unternehmer, der Häuser baut und verkauft: „Die Häuser wurden mit einem festen Budget gebaut. Je nach Standort muss man mehr oder weniger in den Schutz vor Kälte investieren und dafür Abstriche beim Design machen. Ein hässliches Haus verkauft sich aber auch schlecht. In ähnlicher Weise entscheidet die Evolution der Bakterien darüber, wievel Proteine in die Antibiotikaresistenz investiert werden.

Diese Vorhersage ist sehr schwierig, weil das Bakterium oft mehrere Optionen hat, um Abwehrkräfte aufzubauen. „Überraschenderweise sagt unser Modell erfolgreich voraus, welche Mechanismen der Antibiotikaresistenz sich in einer Bakterienpopulation unter bestimmten Voraussetzungen wahrscheinlich entwickeln werden“, so Pinheiro.

„Um im Bilde des Hausbaus zu bleiben: Um das Haus warm zu halten, kann man zum Beispiel in dicke Fenster oder in die Heiztechnik investieren. Was besser ist, entscheidet sich aus dem Ganzen, denn im Bakterium stehen die verschiedenen Zellteile in Abhängigkeiten. Mutationen verändern diese Teile und hinterlassen Spuren im Wachstumsmuster, die wiederum genutzt werden können, um etwas über den Evolutionsprozess zu lernen und letztendlich die Evolution vorherzusagen“, erklärt Pinheiro.

Antibiotikaresistente Bakterien gefährden die Antibiotikabehandlung von Millionen von Menschen weltweit und verursachen jedes Jahr Hundertausende von Todesfällen.

Im Jahr 2019 hat die WHO die Antibiotikaresistenz in ihre Liste der 10 größten Bedrohungen für die globale Gesundheit aufgenommen. Das Wissen um die Entwicklung von Antibiotikaresistenzen kann daher helfen, optimale Behandlungsprotokolle, Angriffspunkte für Medikamente und neue Antibiotika-Kandidaten zu identifizieren. Die neuen Erkenntnisse können nützlich sein, um bessere Entscheidungen über den Einsatz von Antibiotika zu treffen.

„Wenn wir antizipieren können, was Bakterien unter verschiedenen Umständen wahrscheinlich tun werden, können wir gezielter über Interventionen nachdenken, um die Evolution von Resistenz zu vermeiden“, so Pinheiro.



Weitere Meldungen

Petrischale mit Bakterien aus der Roseobacter-Gruppe. Das Wachstum auf dem Antibiotikum Chloramphenicol wird durch das natürliche 57 kb RepC_soli Plasmid pP72_e ermöglicht, welches zwischen den Bakterien über die Artgrenze hinweg ausgetausc; Bildquelle: DSMZ

Aquakultur als Motor zur Verbreitung von Antibiotikaresistenzen im Ozean

Forschende haben erstmals die Relevanz von Antibiotikaresistenzen in der Gruppe der marinen Roseobacter-Bakterien untersucht
Weiterlesen

Dr. Tanita Wein, die Hauptautorin der Studie, hat kürzlich promoviert und arbeitet derzeit als Postdoktorandin in der Forschungsgruppe von Prof. Rotem Sorek am Weizmann Institute of Science in Israel; Bildquelle: Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU

Neue Erkenntnisse zur Evolution von bakteriellen Antibiotikaresistenzen

Kieler Forschungsteam untersucht, wie sich die Antibiotikagabe auf die Mechanismen der von Plasmiden vermittelten Vererbung von Resistenzgenen auswirkt
Weiterlesen

Camilo Barbosa

Europäische Gesellschaft für Evolutionsbiologie ehrt Camilo Barbosa

Kieler Nachwuchsforscher erhält renommierten John Maynard Smith-Forschungspreis für seine Arbeiten zur Vermeidung von Antibiotikaresistenzen
Weiterlesen

Universität Freiburg

Forschende entdecken neue Funktion von antibiotikaresistenten Bakterien

Verletzte Hautpartien sind bevorzugte Nischen für das Bakterium Pseudomonas aeruginosa, das Heilungsprozesse von Gewebe beeinträchtigt und Infektionen fördert
Weiterlesen

ETH Zürich

Antibiotikaresistenzen steigen massiv an

In Schwellen- und Entwicklungsländern nehmen antibiotikaresistente Mikroorganismen in Nutztieren stark zu. Auf einer Karte zeigt ein internationales Forschungsteam unter ETH-Federführung erstmals auf, wo der Handlungsbedarf am grössten ist
Weiterlesen

Klärwerk ; Bildquelle: Zweckverband Klärwerk Steinhäule (ZVK)

Antibiotika-Resistenz im Wasserkreislauf

Wie steht es um das Vorkommen von Antibiotika-resistenten Erregern in unseren Ab- und Gewässern?
Weiterlesen

Der als Pacu bekannte Piaractus mesopotamicus wird oft in Aquakulturen gehalten.; Bildquelle: Helmholtz Zentrum München

Antibiotikaresistenzen breiten sich schneller aus als bisher angenommen

Am Beispiel von Fischen aus Aquakultur konnten Forscherinnen und Forscher neue Erkenntnisse zu den Übertragungsmechanismen von Antibiotikaresistenzen zwischen Bakterien gewinnen
Weiterlesen

Universität Duisburg-Essen

Dissertation untersucht Regulierung von Antibiotika für Nutztiere

Wie wirksam sind staatliche Minimierungskonzepte beim Einsatz von Antibiotika und welche Konsequenzen haben sie, fragte Politikwissenschaftlerin Carolin Höhlein in ihrer Dissertation an der Universität Duisburg-Essen (UDE)
Weiterlesen


Wissenschaft


Universitäten


Neuerscheinungen