100 Jahre Antibiotika – The Transcriptome

Vielen Dank an Fabienne Spang und Melina Nowak vom iGEM 2022 Team der TU Braunschweig für die Übersetzung des Artikels.

Kurz über Antibiotika

Die meisten von uns mussten schon einmal Antibiotika einnehmen, um eine bakterielle Infektion loszuwerden. Antibiotika wirken, indem sie Bakterien abtöten oder ihre Ausbreitung verhindern. Es gibt viele verschiedene Arten von Antibiotika, und sie wirken über unterschiedliche Mechanismen. Es gibt Antibiotika, die auf die Zellwandsynthese, die Proteinsynthese, die DNA-Replikation und die Nukleinsäuresynthese abzielen [1]. Wenn Sie sich dafür interessieren, finden Sie hier eine schöne Abbildung, die zeigt, welche Antibiotika auf was abzielen. Sie zeigt auch einige gängige Resistenzmechanismen für einige der Antibiotika, aber dazu später mehr.

Geschichte

Das erste Antibiotikum wurde 1910 synthetisiert, es heißt Salvarsan [12]. Und ich wette, dass wir alle die Geschichte des gescheiterten Experiments von Alexander Fleming gehört haben, das zur Entdeckung des Penicillins führte. Fleming kehrte aus einem Urlaub zurück und fand einen Schimmelpilz, der auf einer versehentlich kontaminierten Staphylokokken-Kulturplatte wuchs. Er stellte fest, dass der Schimmelpilz das Wachstum von Staphylokokken verhinderte. Penicillin wurde während des Zweiten Weltkriegs an Soldaten verabreicht und in Massenproduktion hergestellt, wodurch die Sterblichkeitsrate während des Krieges sank. In etwas mehr als 100 Jahren haben Antibiotika die moderne Medizin drastisch verändert und die durchschnittliche Lebenserwartung der Menschen um 23 Jahre verlängert [12]. Ist das nicht einfach erstaunlich?

Mit der Entdeckung von Penicillin im Jahr 1928 begann das goldene Zeitalter der Entdeckung von Antibiotika aus Naturprodukten, dass Mitte der 1950er Jahre seinen Höhepunkt erreichte. Seitdem ist die Entdeckung von Antibiotika allmählich zurückgegangen. [12]

Verwendung von Antibiotika in unserem iGEM-Projekt

Im Chalmers-Gothenburg iGEM-Team verwenden wir im Projekt Antibiotika zur Selektion, wenn wir E.coli züchten. Wir tun dies, um nur bestimmte Bakterien zu züchten, die unsere gewünschten zirkulären Gene, sogenannte Plasmide, enthalten. Die Plasmide enthalten sowohl die gewünschten Gene als auch zusätzliche Gene für die Antibiotikaresistenz. Die Gene für die Antibiotikaresistenz kodieren für Proteine, die es den Bakterien ermöglichen, in der Umgebung des jeweiligen Antibiotikums zu leben. Wir schleusen die Plasmide in e.coli-Zellen ein und züchten sie auf Wachstumsplatten und in Medien, die das Antibiotikum enthalten. Dann können nur die Bakterien überleben, die das Plasmid enthalten, und die Bakterien ohne das Plasmid sterben ab.

Wenn du mit Antibiotika arbeitest, musst du vorsichtig sein und darauf achten, dass du sie richtig entsorgst. Sie wollen nicht, dass die Antibiotika, die antibiotikaresistenten Gene oder Organismen aus dem Labor entweichen. Viele Antibiotika können sogar den Autoklaven überwinden.

Antibiotika Resistenz

Ein immer größer werdendes Problem in der heutigen Zeit sind Antibiotika Resistente Bakterien. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation ist die Antibiotikaresistenz heute eine der größten Bedrohungen für die globale Gesundheit, die Ernährungssicherheit und die Entwicklung. Immer mehr Infektionen wie Lungenentzündung, Tuberkulose, Gonorrhoe und Salmonellose sind immer schwerer zu behandeln, da die zu ihrer Behandlung eingesetzten Antibiotika immer weniger wirksam sind. [2]

Antibiotikaresistenzen sind ein natürliches Phänomen, aber der Missbrauch von Antibiotika bei Menschen und Tier beschleunigt diesen Prozess. Der übermäßige Einsatz von Antibiotika in der Nutztierhaltung ist ein wichtiger Faktor.

Durch den übermäßigen Gebrauch und fehlende Infektionsroutinen in Krankenhäusern haben sich Bakterien entwickelt und sind resistent geworden [2]. Einige Bakterien verändern ihre Durchlässigkeit für Antibiotika.

Einige Arten von Medikamenten können nur durch Porine in die Zelle eindringen, das sind Kanäle in der äußeren Zellmembran [1]. Bakterien mit weniger Porinen haben bessere Überlebenschancen, was zu einer geringeren Anzahl von Porinkanälen und einem geringeren Eindringen von Medikamenten und damit zu einer Resistenz gegen diese Antibiotikaklassen führt. Ein weiteres Beispiel für eine Antibiotikaresistenz ist eine kleine Veränderung des Zielmoleküls, an das das Medikament bindet. Dies kann durch spontane Mutationen geschehen und einen großen Einfluss auf die Resistenz haben, da die Bindung an das Zielmolekül sehr spezifisch ist [1]. Bakterien können auch genetische Inhalte miteinander austauschen und ihre Arzneimittelresistenz durch einen Prozess namens Konjugation aufeinander übertragen. Das iGEM-Team 2019, CSU Fort Collins, hat ein schönes schematisches Bild davon erstellt, wie eine Antibiotikaresistenz entstehen könnte. Durch diesen Prozess können einige Mikroorganismen gegen mehrere Antibiotika resistent werden, so genannte Multiresistenzen.

Das Bewusstsein für Antibiotikaresistenzen und die damit verbundenen Probleme ist gestiegen, und die Vorschriften werden geändert. Es bleibt jedoch noch viel zu tun, wenn wir den Prozess der Resistenz verlangsamen wollen. Im Jahr 2018 hatte die Antibiotikaresistenz 700.000 Todesfälle pro Jahr verursacht. Prognosen zufolge werden bis zum Jahr 2050 jährlich 10 Millionen Todesfälle auf antimikrobiell resistente Infektionen zurückzuführen sein [13]. Das ist mehr als die Zahl der Menschen, die jährlich an Krebs sterben [10].

Zukunft

Leider investieren die großen Pharmaunternehmen keine großen Summen in Antibiotika. Der Grund dafür ist, dass es sich um eine einmalige Behandlung handelt und die Verwendung von Antibiotika immer stärker reguliert wird. Ein neues Medikament muss für Fälle bereitgehalten werden, in denen multiresistente Organismen die Ursache dafür sind, was für die großen Unternehmen einen schlechten Profit bedeutet. Der Generaldirektor der WHO forderte die Pharmaunternehmen sogar auf, mehr zu tun [11]. “Nie war die Bedrohung durch Antibiotikaresistenzen unmittelbarer und der Bedarf an Lösungen dringlicher”, sagte Dr. Tedros Adhanom Ghebreyesus. “Es laufen zahlreiche Initiativen zur Verringerung der Resistenzen, aber wir brauchen auch die Länder und die Pharmaindustrie, die mit einer nachhaltigen Finanzierung und innovativen neuen Medikamenten einen Beitrag leisten.” Es gibt jedoch viele Forschungsinstitute und kleinere Unternehmen, die versuchen, Antibiotikaresistenzen zu bekämpfen. Die Zukunft der Antibiotika-Entdeckung ist vielleicht etwas rosiger als wir denken, wenn wir neue Technologien wie Genom-Mining und -Editing berücksichtigen, die die Forschung vorantreiben können [12]. Es gibt einige neu entdeckte Medikamente, z. B. Teixobactin, dass Krankheitserreger ohne nachweisbare Resistenz abtötet [14].

Danke, dass Sie das lesen! Vielleicht sind Sie derjenige, der die nächste Klasse von Antibiotika entdecken und uns alle retten wird?