Bakterien können Resistenzen gegen Medikamente entwickeln, denen sie zuvor nicht begegnet sind – das haben Wissenschaftler vor Jahrzehnten in einem klassischen Experiment herausgefunden

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Mutieren Bakterien zufällig oder haben sie einen bestimmten Zweck? Forscher waren über ein Jahrhundert lang rätselte ich über dieses Rätsel.

Im Jahr 1943 wurden der Mikrobiologe Salvador Luria und der Physiker zum Biologen Max Delbrück hat ein Experiment erfunden zu argumentieren, dass Bakterien ziellos mutierten. Mit ihrem Test zeigten andere Wissenschaftler, dass Bakterien Resistenzen gegen Antibiotika entwickeln können, denen sie zuvor nicht begegnet waren.

Der Luria-Delbrück-Experiment hat einen erheblichen Einfluss auf die Wissenschaft gehabt. Die Ergebnisse halfen Luria und Delbruck, den Sieg zu erringen Nobelpreis für Physiologie oder Medizin im Jahr 1969und Schüler lernen heute dieses Experiment in Biologieunterricht. Ich habe dieses Experiment in meiner Arbeit als Biostatistiker studiert über 20 Jahre.

Jahrzehnte später liefert dieses Experiment Lehren, die auch heute noch relevant sind, denn es impliziert, dass Bakterien Resistenzen gegen Antibiotika entwickeln können, die noch nicht entwickelt wurden.

Spielautomaten und ein Heureka-Moment

Stellen Sie sich ein Reagenzglas vor, das Bakterien enthält, die in einer Nährbrühe leben. Aufgrund der hohen Bakterienkonzentration ist die Brühe trüb. Hinzufügen eines Virus, der Bakterien infiziert, auch Phagen genanntin das Röhrchen, tötet die meisten Bakterien ab und macht die Brühe klar.

Bakteriophagen sind Viren, die gezielt Bakterien infizieren.
Kristina Dukart/iStock über Getty Images Plus

Wenn Sie das Reagenzglas jedoch unter Bedingungen aufbewahren, die das Bakterienwachstum begünstigen, wird die Brühe mit der Zeit wieder trüb. Dies deutet darauf hin, dass die Bakterien eine Resistenz gegen die Phagen entwickelten und sich vermehren konnten.

Welche Rolle spielten die Phagen bei dieser Veränderung?

Einige Wissenschaftler gingen davon aus, dass die Phagen die Bakterien dazu anregten, zu mutieren, um zu überleben. Andere vermuteten, dass Bakterien routinemäßig zufällig mutieren und die Entwicklung phagenresistenter Varianten einfach sei ein glücklicher Ausgang. Luria und Delbrück hatten monatelang zusammengearbeitet, um dieses Rätsel zu lösen, aber keines ihrer Experimente war erfolgreich gewesen.

In der Nacht des 16. Januar 1943 bekam Luria einen Hinweis, wie man das Rätsel lösen könnte, während sie dabei zusah, wie ein Kollege an einem Spielautomaten den Jackpot knackte. Am nächsten Morgen eilte er in sein Labor.

Lurias Experiment bestand aus ein paar Röhrchen und Schalen. Jedes Röhrchen enthielt Nährbrühe, die den Bakterien helfen würde E coli vermehren, während jede Schale mit Phagen beschichtetes Material enthielt. In jedes Röhrchen wurden einige Bakterien gegeben und ihnen wurden zwei Möglichkeiten gegeben, phagenresistente Varianten zu erzeugen. Sie könnten entweder in den Röhrchen in Abwesenheit von Phagen mutieren, oder sie könnten in den Schalen in Gegenwart von Phagen mutieren.

Abbildung von sechs Reagenzgläsern und sechs Petrischalen, einige davon mit roten Punkten

Dieses Diagramm des Luria-Delbrück-Experiments zeigt Kolonien phagenresistenter Varianten von E coli (rot) entwickelt sich in Petrischalen.
Qi Zheng, CC BY-SA

Am nächsten Tag überführte Luria die Bakterien in jedem Röhrchen in eine mit Phagen gefüllte Schale. Am Tag danach zählte er die Anzahl der resistenten Bakterienkolonien in jeder Schüssel.

Wenn Bakterien durch die Interaktion mit ihnen eine Resistenz gegen Phagen entwickeln, sollte keines der Bakterien in den Röhrchen Mutationen aufweisen. Andererseits sollten nur wenige der Bakterien – sagen wir 1 von 10 Millionen Bakterien – resistente Varianten hervorbringen, wenn sie in eine Schale mit Phagen überführt werden. Jede phagenresistente Variante würde zu einer Kolonie heranwachsen, die verbleibenden Bakterien würden jedoch an einer Infektion sterben.

Wenn Bakterien unabhängig von der Interaktion mit Phagen eine Resistenz entwickeln, weisen einige der Bakterien in den Röhrchen Mutationen auf. Dies liegt daran, dass jedes Mal, wenn sich ein Bakterium in einer Röhre teilt, die Wahrscheinlichkeit gering ist, dass es eine resistente Variante hervorbringt. Wenn die beginnende Bakteriengeneration als erste mutiert, wird in späteren Generationen mindestens die Hälfte der Bakterien resistent sein. Wenn ein Bakterium in der zweiten Generation als erstes mutiert, wird in späteren Generationen mindestens ein Achtel der Bakterien resistent sein.

Vier Baumdiagramme aus grünen und roten Kreisen, wobei die nachfolgenden Äste aus roten Punkten rot werden

Mutationen, die frühzeitig eine Resistenz gegen Phagen (rot) verleihen, werden eine große Anzahl phagenresistenter Varianten hervorbringen, während Mutationen, die später auftreten, nur wenige resistente Varianten hervorbringen.
Qi Zheng, CC BY-SA

Wie bei Auszahlungen kleiner Gewinne an Spielautomaten treten Mutationen der späten Generation häufiger auf, führen jedoch zu weniger resistenten Varianten. Wie Jackpots kommen Mutationen der frühen Generation selten vor, führen aber zu einer großen Anzahl von Varianten. Mutationen der frühen Generation sind selten, da zu Beginn nur eine geringe Anzahl von Bakterien für die Mutation zur Verfügung steht.

Beispielsweise würde in einem 20-Generationen-Experiment eine Mutation, die in der 10. Bakteriengeneration auftritt, 1.024 phagenresistente Varianten ergeben. Eine Mutation in der 17. Generation würde nur vier phagenresistente Varianten ergeben.

Die Anzahl resistenter Kolonien in Lurias Experimenten zeigte ein ähnliches Muster wie die Auszahlungen an Spielautomaten. Die meisten Gerichte enthielten keine oder nur eine geringe Anzahl mutierter Kolonien, aber einige enthielten eine große Anzahl mutierter Kolonien, die Luria als Jackpots betrachtete. Dies bedeutete, dass die Bakterien resistente Varianten entwickelten, bevor sie mit den Phagen in den Schalen interagierten.

Das Erbe eines Experiments

Luria schickte nach Abschluss seines Experiments eine Nachricht an Delbrück und bat ihn, seine Arbeit zu überprüfen. Die beiden Wissenschaftler arbeiteten dann gemeinsam am Schreiben ein klassisches Papier Beschreibung des Versuchsprotokolls und eines theoretischen Rahmens zur Messung bakterieller Mutationsraten.

Andere Wissenschaftler führten ähnliche Experimente durch, indem sie Phagen ersetzten mit Penicillin und mit Medikamente gegen Tuberkulose. Ebenso fanden sie heraus, dass Bakterien nicht auf ein Antibiotikum treffen müssen, um eine Resistenz dagegen zu entwickeln.

Bakterien haben sich auf zufällige Mutationen verlassen, um mit rauen, sich ständig verändernden Umgebungen zurechtzukommen seit Millionen von Jahren. Ihre unaufhörlichen, zufälligen Mutationen werden zwangsläufig dazu führen, dass sie Varianten entwickeln, die gegen die Antibiotika der Zukunft resistent sind.

Arzneimittelresistenzen sind eine Realität des Lebens, die wir akzeptieren und weiter bekämpfen müssen.



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