Neue Wege im Kampf gegen Antibiotika-Resistenzen

Gegen Antibiotika resistente Bakterienstämme sind eine der grossen gesundheitlichen Bedrohungen des 21. Jahrhunderts. Jetzt ist es Evolutionsbiologen der Universität Zürich gelungen, für Bakterien absolut unverzichtbare Stoffwechsel-Reaktionen zu identifizieren. Werden solche Reaktionen blockiert, können Bakterien diese nicht anderweitig kompensieren und so keine Resistenzen bilden. Die Resultate sind für die Entwicklung von neuen, wirksameren Antibiotika gegen resistente Bakterienstämme von grosser Bedeutung.

Infektionen mit Bakterien, die gegen Antibiotika resistent sind, zählen zu den gefürchtetsten Gesundheitsbedrohungen des 21. Jahrhunderts, denn Antibiotika-Resistenzen treten weltweit immer zahlreicher auf. Die Wirkungsweise vieler Antibiotika beruht darauf, dass sie spezifische Enzyme der Bakterien blockieren, die diese zur Entgiftung einsetzen, oder zur Gewinnung von Energie und Bausubstanzen. Auf diese Weise wird das Bakterium vergiftet oder «ausgehungert», es stirbt schliesslich an Mangel an Energie oder Bausubstanzen. Antibiotika-Resistenzen entstehen, wenn es dem Bakterium gelingt, solchermassen blockierte Enzyme anderweitig zu kompensieren bzw. andere Enzyme für die Gewinnung von Energie oder Bausubstanzen einzusetzen. Jetzt zeigt eine Gruppe von Evolutionsbiologen der Universität Zürich in einer kürzlich in PNAS publizierten Studie einen neuen Weg auf, wie die Bildung von Antibiotika-Resistenzen verhindert werden kann. Unter der Leitung von Andreas Wagner, der an der Universität Zürich und am Sante Fe  Institute in den USA, forscht, identifizierten die Wissenschaftler chemische Reaktionen, die für den Stoffwechsel von Bakterien hochgradig unverzichtbar sind und von diesen nicht mit Hilfe anderen Enzymen in Gang gesetzt werden können.

Computersimulationen aller bekannten Stoffwechselreaktionen
Stoffwechsel-Netzwerke sind komplexe Systeme von Hunderten von chemischen Reaktionen, die mit Hilfe von Enzymen in Gang gesetzt werden. Wagner und sein Team simulierten am Computer ein universelles Stoffwechsel-Netzwerksystem mit allen momentan bekannten 5906 Stoffwechselreaktionen, mit denen freilebende Organismen in der Lage sind, die Baustoffe des Lebens zu synthetisieren. «Wir konnten 125 chemische Reaktionen identifizieren, die von keinem uns bekannten Signalweg umgangen oder sonst wie kompensiert werden können und somit unverzichtbar sind», fasst Wagner die neuen Erkenntnisse zusammen.

Anschliessend erstellten die Wissenschaftler anhand von lebensfähigen Stoffwechsel-Netzwerksystemen für tausend chemische Reaktionen einen Index für deren Unverzichtbarkeit für den Organismus. Sie konnten nachweisen, dass der Unverzichtbarkeitsindex mit der Anzahl Genomsequenzen, die ein bestimmtes Enzym codieren, korreliert. «Ein sehr hoher Unverzichtbarkeitsindex bedeutet, dass ein Enzym in vielen Organismen vorkommt, und dass wenige Organismen ohne das Enzym überleben können», erläutert Wagner.

Hochgradig unverzichtbare Stoffwechselreaktionen weisen Weg zu neuen Medikamenten
Die neuen Erkenntnisse sind für die Entwicklung von neuen, wirksameren Antibiotika von grösster Bedeutung. Dies gilt nicht nur im Hinblick auf die Entwicklung von Medikamenten, auf welche Bakterien keine Resistenzen ausbilden können, sondern auch für die Bekämpfung von Bakterienstämmen, die gegen heutige Antibiotika resistent sind.

Literatur:
Adita Barve, Joâo Frederico Matias Rodrigues, Andreas Wagner Superessential reactions in metabolic networks, PNAS 2012, 4. April, www.pnas.org/content/early/2012/04/10/1113065109

Kontakt:
Prof. Dr. Andreas Wagner
Institut für Evolutionäre Biologie und Umweltwissenschaften
Universität Zürich
Winterthurerstr. 190
8057 Zürich

Tel. +41 44 635 61 41
E-Mail andreas.wagner (at) ieu.uzh.ch