Mikrobiologie

Gemeinsam sind wir stark – das haben Bakterien schon vor Milliarden Jahren entdeckt und perfekte Strategien für ihren Zusammenhalt entwickelt. Erstes Gebot: Kommunikation. Jetzt versuchen Forscher ihre »Sprache« zu lernen.

Vor 3,9 Milliarden Jahren tauchten sie als erste Lebewesen der Erde auf: Bakterien der Gattung Monera. Dass es damals auf unserem Globus noch gar keinen Sauerstoff gab, störte sie nicht – sie brauchten keinen. Zwei Milliarden Jahre lang blieben solche einfachen Mikroben, die noch nicht einmal einen kompakten Zellkern haben, die einzigen Bewohner des Planeten. Im Laufe dieser Ewigkeit erfanden sie die Photosynthese, also die Umwandlung von Sonnenlicht in energiereiche Kohlenhydrate, die Leben erst ermöglicht; sie führten die Sauerstoff-Atmung ein; sie lernten schwimmen und besiedelten jede erdenkliche Nische – sogar im Gletschereis oder in kochend heißen Quellen. Als sich allmählich Pflanzen und Tiere bildeten, entwickelten die Bakterien einen entscheidenden Überlebenstrick, den sie bis heute anwenden: Sie nisten sich in dem viel größeren Organismus eines Wirts ein und lassen sich von ihm mit Nahrung versorgen.

Auch in unserem Körper leben sie, und viele von ihnen brauchen wir dringend, zum Beispiel um unsere Nahrung im Darm aufzuschließen. Aber von diesen »Wohltätern« soll hier nicht die Rede sein. Hier geht es um die anderen, die uns krank und das Leben schwer machen.

Seit es uns Menschen gibt, kämpfen wir gegen diese Eindringlinge – nur wussten wir anfangs nichts davon. Wir wussten nicht, dass wir in unserem Inneren eine Verteidigungswaffe haben, die ausschließlich der Abwehr von Bakterien dient, indem sie diese in Schach hält: das Immunsystem – in seiner Komplexität nur mit dem Gehirn vergleichbar.

Bis der Mensch den bewussten Kampf gegen die Bakterien aufnehmen konnte, musste er erst einmal erkennen, dass es sich bei den Eindringlingen um winzige Lebewesen handelt – mit bloßem Auge nicht wahrzunehmen. Diese Erkenntnis lieferten Mitte des 19. Jahrhunderts Louis Pasteur und Robert Koch: Sie entdeckten die Mikroorganismen unter ihrem einfachen Lichtmikroskop. Von da ab vergingen noch einmal 50 Jahre, bis man Anfang des 20. Jahrhunderts mit den Antibiotika eine wirkungsvolle Waffe gegen die Winzlinge gefunden hatte. Tuberkulose, Cholera, Diphterie & Co. schienen für immer besiegt.

Doch die Bakterien melden sich zurück. So ist seit den 1980er Jahren auch in den Industrienationen ein starker Anstieg der Tuberkulose-Erkrankungen und -Todesfälle zu verzeichnen. Allein in Deutschland gab es im Jahr 2001 fast 8000 gemeldete Neuerkrankungen. Weltweit sterben jährlich drei Millionen Menschen an den Folgen der Tuberkulose.

Deshalb wenden sich auf dem ganzen Globus die Wissenschaftler jetzt wieder der Erforschung scheinbar überwundener Bakterienkrankheiten zu. Ihre Suche gilt einer neuen Waffe, nachdem die Antibiotika offenbar nicht den Erfolg gebracht haben, den man erhofft hatte. Wichtige Erkenntnisse lieferte dabei ein Instrument, das es erst seit den 1990er Jahren gibt: das so genannte konfokale Lasermikroskop, das ein Objekt Punkt für Punkt abscannt und in räumlicher Darstellung zeigt. Damit gelang es erstmals, dem geheimen Treiben der Bakterien auf die Schliche zu kommen – Voraussetzung für die Entwicklung neuer Abwehrwaffen.

Bis dahin ging man von der alten Lehrbuchweisheit aus: Bakterien sind primitive Organismen, jede Art lebt isoliert vor sich hin und vermehrt sich nur unter ihresgleichen. Diesen eintönigen Lebensstil pflegen Mikroorganismen aber nur, wenn sie in sterilen Labors gezüchtet werden. In der freien Natur dagegen kann es für sie gar nicht genug Gesellschaft geben. Denn das konfokale Lasermikroskop hat ans Tageslicht gebracht: Bakterien organisieren sich artübergreifend zu schleimigen Mikrobenmatten. Bestand das Geheimnis ihrer bisherigen Unbesiegbarkeit in ihrer Fähigkeit zu kollektiver Strategie?

Was der amerikanische Mikrobiologe William Costerton in den 1990er Jahren durch das Mikroskop erblickte, erinnerte ihn »an einen Flug über Manhattan bei Nacht«: Aus einer zähen Schleimschicht erhoben sich 200 Mikrometer hohe Wolkenkratzer aus Bakterien. In den Häuserschluchten pulsierten Enzyme, Nährstoffe, Abfallprodukte und Sauerstoffmoleküle unablässig durch ein Netzwerk von Kanälen. Horden von Mikroben – Bakterien, Einzeller und Viren – wälzten sich marodierend durch die Mini-Metropole und fraßen, was sie bekommen konnten. Sogar Algen, Pilze, Würmer, Rädertierchen, Milben und Insektenlarven waren in der Schleimstadt zu finden. Bei näherer Untersuchung entdeckten die Forscher, dass die Bewohner dieser Metropole offensichtlich auch die Arbeitsteilung kennen: In der City leben sauerstoffempfindliche Bakterien, die von ihren Nachbarn gegen Sauerstoff abgeschirmt werden – nur so können sie überleben. Der Sauerstoff wird durch Kanäle an die Peripherie der Stadt transportiert, wo ihn andere Mikroben weiterverarbeiten.

Nachdem diese Mikrobenkolonien, inzwischen »Biofilm« genannt, erst einmal entdeckt waren, fand man sie praktisch überall: auf Gesteinen, Gewächsen und Riffen, auf Denkmälern, in Wasserleitungen oder auf Kontaktlinsen. Besonders unbeliebt sind sie im medizinischen Bereich: Künstliche Herzklappen, Penisprothesen, Hüftgelenksimplantate oder Katheter werden oft von Mikroben besiedelt, was bei den Patienten zu schmerzhaften Entzündungen führen kann. Und nicht nur das: In ihrer Trutzburg sind die frei lebenden Kleinstlebewesen offenbar viel besser als ihre einzelgängerischen Kollegen im Labor vor Attacken von Sonne, Wind und radioaktiver Strahlung geschützt. Auch vor den chemischen Keulen des Menschen brauchen sie sich hier nicht mehr zu fürchten.

Wenn die Bakterien ganze Schleimstädte organisieren – so die Schlussfolgerung –, dann müssen sie auch miteinander kommunizieren können. Dass Mikroben grundsätzlich zu einem gegenseitigen Informationsaustausch fähig sind, hatten Mikrobiologen bereits in den 1960er Jahren bei marinen Leuchtbakterien der Gattung Vibrio fischeri entdeckt. Diese Mikroben leben als Schmarotzer im Leuchtorgan von Tintenfischen und revanchieren sich für die Gastfreundschaft, indem sie ihr »Licht« einschalten: Dadurch bilden sie einen Scheinwerfer, der dem Wirt die Orientierung in der nachtschwarzen Tiefsee erleichtert. So kann der Tintenfisch mehr Nahrung erbeuten, sein Überleben und das der Leuchtbakterien sichern.

Das kollektive Leuchten wird jedoch erst in Gang gesetzt, wenn genügend Bakterien vorhanden sind – denn nur dann lohnt sich die Mühe. Aber woher wissen sie, wann ihre Zahl so groß ist, dass ihre gemeinsame Leuchtkraft die Wirkung eines Scheinwerfers hat?

Die Antwort darauf kennt man erst seit den 1990er Jahren: Zur Zählung ihrer Artgenossen setzen Bakterien eine Art chemische Kommunikation ein, von den Forschern »Quorum sensing« genannt. Der Begriff »Quorum« kommt aus dem römischen Recht: Er bezeichnet die Mindestzahl an Teilnehmern, die eine Versammlung haben muss, wenn sie beschlussfähig sein will. Um festzustellen, ob ein Quorum für ein kollektives Handeln vorliegt, sondern Bakterien Signalstoffe ab, so genannte Pheromone. Die Konzentration dieser Stoffe können sie mithilfe eines spezifischen Rezeptors messen. Ist sie gering, sind nur wenige Artgenossen vorhanden – eine Gemeinschaftsaktion macht noch keinen Sinn. Überschreitet die Konzentration jedoch eine bestimmte Grenze, wissen die Bakterien, dass sie eine genügend große Zahl bilden, um kollektiv handeln zu können. Dann schalten sie ihr Licht an, bilden einen Biofilm oder produzieren ein krank machendes Gift.

Dass Bakterien erst handeln, wenn es sie in großen Massen gibt, ist nicht nur äußerst effektiv und kräftesparend – es ist auch ein cleverer Trick im immerwährenden Kampf gegen das feindliche Immunsystem der Wirtstiere. Denn in der Anfangsphase einer Infektion sind die Abwehrzellen noch in der Überzahl – würden die Bakterien das krank machende Gift schon jetzt produzieren, wären sie leicht zu entdecken und zu töten.

Den neueren Forschungen der Mikrobiologen ist auch die Erkenntnis zu verdanken, warum die Bakterien trotz jahrzehntelangen Einsatzes der chemischen Keule wieder auf dem Vormarsch sind: Zum schleimigen Biofilm organisiert, sind Bakterien rund 1000-mal resistenter gegen Antibiotika als ihre allein lebenden Artgenossen. Das bekommen besonders Patienten zu spüren, die an Mukoviszidose leiden – der am häufigsten vererbten Stoffwechselkrankheit in Deutschland. Im Körper der Infizierten bildet das Bakterium Pseudomonas aeruginosa einen Biofilm, der sich als Schleim auf das Lungengewebe legt und es dann durch Entzündung zerstört. Lebenslange Einnahme von Antibiotika und ständiges Entfernen des zähen Schleims aus den Atmungsorganen ist bisher die einzige Therapie.

Aber was ist der Grund dafür, dass die Mikroben in der Masse so viel besser gegen alle bekannten Mittel geschützt sind? Nachdem der Biofilm entdeckt worden war, ging man davon aus, dass seine Wirkung rein mechanisch ist: Er bildet eine Diffusionsbarriere, die antibiotische Wirkstoffe einfach stoppt. Aber das stimmt nicht. Die Wirkstoffe dringen durchaus in den Biofilm ein – doch sie erwischen dort nicht alle Bakterien. Einige überleben – und diese so genannten Persister haben es in sich: Sie sind resistent gegen das eingesetzte Antibiotikum – und das macht sie gefährlicher als der anfängliche Biofilm.

Die amerikanischen Mikrobiologen Eliana Drenkard und Frederick Ausubel von der Harvard Medical School haben im Jahr 2002 beobachtet, dass schon eine einzige Dosis Antibiotika aus harmlosen Bakterien gefährliche Krankheitserreger machen kann: Selbst wenn nur wenige Bakterien überleben, lagern sie sich zu Haufen zusammen und bilden eine kleine Population resistenter Persister, die sich vermehren und zu einem neuen Biofilm organisieren. Das ist auch der Grund, warum mit Antibiotika behandelte Mukoviszidose-Erkrankte ihr Leiden nicht loswerden: Es bleibt immer ein resistenter Biofilm in ihren Lungen zurück.

Fazit: Der Versuch, die Bakterien auszurotten, ist die falsche Strategie. Seit man weiß, dass das Quorum sensing quasi der Startschuss für die unheilvollen Aktivitäten der Mikroben ist, glauben die Forscher, eine neue Waffe gegen die Krankheitserreger gefunden zu haben: Sie wollen deren Kommunikation stören. Wenn sich die kleinen Feinde nicht mehr auf chemischem Weg zum Generalangriff auf ihren Wirt verbünden können, dann sind sie zwar immer noch im Körper vorhanden, richten aber keinen Schaden an.

Auf der Suche nach einem geeigneten »Störsender« mussten die Mikrobiologen erst einmal herausfinden, wie die Kommunikations-Chemie der Bakterien genau funktioniert. Man wusste schon seit einigen Jahren, dass dabei bestimmte Signalmoleküle die Hauptrolle spielen, und zwei davon waren auch schon entdeckt worden. Aber erst im Januar 2003 stießen die Forscher auf ein besonders viel versprechendes Molekül – den so genannten Autoinducer I-2. Es war deshalb so interessant, weil sich mindestens 50 verschiedene Bakterienarten mit seiner Hilfe »unterhalten« – darunter auch das Kolibakterium Escherichia coli und andere Erreger, die menschliche Krankheiten auslösen. Weil so viele Arten sich via Autoinducer verständigen, vermutet man, dass er sogar der Kommunikation mit den anderen Spezies dient, die sich ebenfalls im Biofilm tummeln.

Nachdem nun die Struktur des Autoinducers I-2 per Röntgenstrukturanalyse aufgeklärt war, gelang der Arbeitsgruppe von Frederic Hughson an der Universität Princeton (US-Bundesstaat New Jersey) das Kunststück, das Signalmolekül »in flagranti« zu ertappen: Am Leuchtbakterium Vibrio harveyi entdeckten sie einen Rezeptor, an dem der gesuchte Autoinducer gerade angedockt hatte. Um das Molekül zu finden, musste das Verfahren der Röntgenkristallografie eingesetzt werden, das Auskunft über die räumliche Anordnung von Atomen gibt. Eine mühsame Detektivarbeit, denn der LuxP genannte Rezeptor setzt sich aus Tausenden von Atomen zusammen – der angedockte Autoinducer I-2 dagegen nur aus 16 Atomen.

Bei ihren Röntgenuntersuchungen entdeckten die Wissenschaftler auch, dass das Signalmolekül das Element Bor enthält. Zwar war schon lange bekannt, dass dieses Metall für manche Organismen eine biologische Funktion haben muss – aber welche, war unklar. Nun weiß man: Bakterien brauchen Bor zur Verständigung – ein wichtiger Ansatzpunkt für zukünftige Forschung. Denn die Suche nach einem Störsender, der die Kommunikation der Mikroben unterbricht und sie so handlungsunfähig macht – sie kann erst jetzt richtig losgehen.

Welcher Weg zum Ziel führt, dafür gibt es sogar ein Vorbild in der Natur: Einige Algen produzieren »Furanone« – Störmoleküle, die verhindern, dass sich lästiger Bakterienglibber auf ihren Wedeln bildet. Auf ähnliche Weise wollen jetzt Mikrobiologen die »Beschlussfähigkeit« der Krankheitserreger aufheben. Dazu müsste man das Signalmolekül so verfälschen, dass es sich zwar am Bakterienrezeptor anheftet, dort aber keine Wirkung hat: Dann wären die Mikroben außerstande, ihre Artgenossen zu zählen und zum kollektiven Angriff zu blasen. Nach Substanzen, die diesen Effekt auslösen, wird jetzt geforscht.
Während dieses Verfahren auf die Inaktivierung der Bakterien abzielt, testet das Team
des Mikrobiologen Hans-Curt Flemming (Universität Duisburg) eine andere Methode: Die Signalmoleküle werden nicht verfälscht, sondern durch molekulare »Killer« zerstört. Zum Beispiel durch Proteasen – Enzyme, die Proteine spalten. Der Effekt ist der gleiche wie bei der Inaktivierung: Im Biofilm wird nicht mehr kommuniziert, also kann keine Krankheit mehr ausgelöst werden.

Ein drittes Verfahren, das zurzeit ausprobiert wird, setzt auf das Killerbakterium Bdellovibrio bacteriovorus, dessen Genom im Januar 2004 komplett entschlüsselt wurde. Der kleine Räuber greift keine höheren (eukaryotischen) Zellen etwa von Säugetieren an – sondern ausschließlich andere Bakterien. Er heftet sich mit seinem so genannten Multi-Funktions-Fortsatz an bestimmte Wirtsbakterien an, injiziert ätzende Enzyme in das Opfer, dringt durch die Zellwand in die Mikrobe ein und frisst sie von innen her auf. Ist der Wirt verspeist, teilt sich Bdellovibrio bacteriovorus in bis zu 15 neue Angriffszellen, die allesamt auf Beutezug gehen.

Nach dem Motto »Der Feind meines Feindes ist mein Freund« hoffen die Wissenschaftler nun, dieses Killerbakterium als lebendes Antibiotikum einsetzen zu können. Ob es aber tatsächlich alle gewünschten Bakterien auffrisst und keine Persister übrig lässt, müssen weitere Tests ergeben. Ebenso möchten die Forscher erst ganz genau wissen, was sich die Räuber-Mikroben so »zuwispern«, bevor man sie für sich arbeiten lässt.

Obwohl alle drei Verfahren im Kampf gegen die Bakterien noch in der Erprobung sind: Die Hoffnungen der Wissenschaftler sind groß. Schon in relativ naher Zukunft könnte man mit diesen Methoden Patienten helfen, die Körperimplantate eingesetzt bekommen: Wenn sich auf künstlichen Hüftgelenken oder Herzschrittmachern keine Biofilme mehr bilden können, gehören postoperative Entzündungen der Vergangenheit an. Wann die Methoden so weit entwickelt sind, dass wir endlich eine wirksame Waffe im uralten Kampf gegen bakterielle Infektionskrankheiten in die Hand bekommen – das bleibt abzuwarten.