Mikrobenzirkus

Keine Panik vor Bazille, Virus & Co


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Trickreiche Erreger – Wie Bakterien unseren Körper erobern

Ich freue mich, euch heute im Mikrobenzirkus einen Gastartikel meines Kollegen Dr. Andreas Fischer, Wissenschaftsredakteur am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung, zu präsentieren.  Viel Spaß beim Lesen!

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Robert Koch – Deutscher Mediziner und Mikrobiologe (Quelle: Wikipedia Public Domain)

Viele Menschen setzen Bakterien mit gefährlichen Krankheiten wie Pest und Cholera gleich. Zu Zeiten des berühmten Mikrobiologen Robert Koch (1843-1910), der zum Beispiel den Erreger der Tuberkulose entdeckt hat, wurde den Bakterien noch der Kampf angesagt.

Mittlerweile wissen wir aber, dass die weitaus meisten Arten völlig harmlos sind und uns zum Teil sogar Hilfe leisten, etwa bei der Verdauung. Gefährliche Krankheitserreger sind unter den Bakterien dagegen die Ausnahme, und sie arbeiten mit cleveren Tricks, denn dank unseres ausgeklügelten Immunsystems ist es gar nicht so leicht, den menschlichen Körper zu infizieren: Es erkennt Eindringlinge sofort, beseitigt sie und kann sich später sogar an sie erinnern. Trotzdem finden manche Bakterienarten immer wieder ein Schlupfloch.

Die beste Waffe: Eine schnelle Vermehrung

Einige Bakterien bilden unter optimalen Bedingungen alle 15 Minuten eine neue Generation aus unzähligen Individuen. Diejenigen, die mit ihrer Umgebung – zum Beispiel unserem Körper – am besten klarkommen, vermehren sich auch am stärksten. So ist jede neue Generation ein kleines Bisschen besser anpasst als die vorherige. Der Karieserreger Streptococcus mutans treibt es in Sachen Anpassung ganz auf die Spitze: In seinem Wohnzimmer – der Zahntasche – tötet er andere Bakterienarten und nimmt deren Erbmaterial auf. Ganz nach dem Motto „Du bist, was du isst“ schluckt er so die Überlebenstricks seiner Konkurrenten und macht sie zu seinen eigenen.

Appetit auf ein Softeis?

Jeder kennt sie, aber niemand will sie: Salmonellen. Sie sitzen in Lebensmitteln wie Eiern, Fleisch oder Softeis und animieren uns gern zu Dauerläufen Richtung Badezimmer. Im Laufe der Jahrmillionen haben Salmonellen ein filigranes Werkzeug entwickelt, das sie zu erfolgreichen Infizierern macht. Gelangen sie über das Essen in unseren Darm, bilden sie aus tausenden Molekülbausteinen winzige Spritzen aus, mit denen sie verschiedene Substanzen in die Darmzellen injizieren. Wie eine Droge veranlassen diese Substanzen die Darmzellen dazu, Dinge zu tun, die sie normalerweise nie tun würden: Sie nehmen die Salmonellen widerstandslos auf – Unternehmen Infektion geglückt.

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Eine Salmonelle (rot) bringt die Darmzelle dazu, sie mit ihrer Membran zu umschließen und aufzunehmen – hier in 20.000-facher Vergrößerung. Bild: HZI/Manfred Rohde

Kommt nun der Arzt mit einem Antibiotikum um die Ecke, räumen die meisten Salmonellen das Feld. Doch einige von ihnen machen es wie manche Menschen, wenn großer Stress droht: Sie schlafen ihn weg. Für Salmonellen bedeutet das, die Zellteilung runterzufahren und zu warten, bis das Antibiotikum durch ist. Viele Antibiotika töten nur sich teilende Bakterien, und so überdauern die Salmonellen mit dieser Strategie den Giftangriff als Schläferzellen.

Einfach wieder ausspucken

Bakterien der Gattungen Escherichia und Pseudomonas haben andere Tricks auf Lager, um sich vor Antibiotika zu schützen. In ihrer Außenhülle haben sie kleine Pumpen, mit denen sie Giftstoffe aus ihrem Innern befördern können. Das Darmbakterium Escherichia nutzt seine Pumpen eigentlich, um die giftigen Gallensalze des Darms zu beseitigen. Sonst könnten sie sich gar nicht erst dort ansiedeln. Mit Antibiotika machen sie genau das gleiche: Sie spucken sie sozusagen einfach wieder aus.

Der Krankenhauskeim Pseudomonas aeruginosa hat neben den Minipumpen noch einen anderen Schutzmechanismus: Er bildet Biofilme. Das sind dichte Kolonien in einem Netzwerk aus Zucker, das die Bakterien selbst um sich herum aufbauen. So schützt sich Pseudomonas vor Angriffen des Immunsystems und kann sogar lange Antibiotika-Therapien überstehen.


Tarnung ist alles

Streptokokken haben ein ganzes Arsenal an Infektionstricks entwickelt: Sie verschanzen sich in Biofilmen, tragen Rüstungen aus Zucker und beseitigen sogar ihre Hinterlassenschaften. Der Scharlach-Erreger Streptococcus pyogenes greift sogar direkt ins Immunsystem ein: Wenn eine menschliche Zelle von ihm infiziert wurde, sendet sie einen Hilferuf in Form eines bestimmten Botenstoffes aus, der Abwehrzellen anrücken lässt. Die Streptokokken besitzen aber eine molekulare Schere, mit der sie den Hilferuf einfach zerstückeln und somit verstummen lassen. Ganz ähnlich machen es auch die allseits „beliebten“ Chlamydien. Sie bekommen beim Eindringen in eine menschliche Zelle eine Art Siegel angehängt, das sie als Müll kennzeichnet. Normalerweise werden sie dann einfach ausgesondert und aufgelöst. Aber auch sie besitzen eine ganz bestimmte Schere, mit der sie das Siegel wieder abschneiden und sich so vor der Müllabfuhr der Zelle verstecken.

Bakterien sind also ganz schön clever, wenn es darum geht, uns zu infizieren. Nur gut, dass die meisten von ihnen friedliche Absichten verfolgen.

Habt ihr Fragen oder Anregungen?

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Fannys Rezept – ein Hit für die Mikrobiologie

Fanny Angelina Hesse

Fanny Angelina Hesse – eine vergessene Heldin der Mikrobiologie. Collage by Fruzsina Eördögh; Petri dish image © M J Richardson (CC BY-SA 2.0)

Manchmal sind Frauen einfach viel pragmatischer. Und so ist eine bahnbrechende Erfindung in der modernen Mikrobiologie nur durch einen klugen Küchentrick der Laborassistentin Fanny Angelina Hesse entstanden, der Frau von Walter Hesse, einem engen Mitarbeiter und Forscherkollegen von Robert Koch. Der deutsche Mediziner und Mikrobiologe Robert Koch entdeckte 1882 den Erreger der Tuberkulose. Eine Entdeckung, die so spektakulär war, dass er 1905 dafür den Nobelpreis erhielt. Vielleicht wäre sogar einiges ganz anders verlaufen, wenn Walter und Fanny Hesse nicht 1881 in Kochs Labor gekommen wären.

 

Auf der Suche nach dem richtigen Medium

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Robert Koch – Deutscher Mediziner und Mikrobiologe (Quelle: Wikipedia Public Domain)

Koch und seine Kollegen hatten damals mit verschiedenen Grundproblemen zu kämpfen, um Bakterien überhaupt untersuchen zu können. Um Bakterien zu isolieren, zu identifizieren und zu klassifizieren, fehlte ihnen der richtige Nährboden. Sie experimentierten unter anderem mit Fleischbrühe, Gelatine und dünnen Kartoffelscheiben. Kein Versuch war erfolgreich, um die Bakterien über längere Zeit zu kultivieren und die Kulturen zu trennen.

In dieser Zeit erfand ein weniger bekannter Laborassistent, Julius Richard Petri, die nach ihm benannten durchsichtigen „Petri-Schalen“, die früher aus Glas und heute meist aus Kunststoff sind. Nun fehlte nur ein passendes Gel um die runden Schalen zu füllen. Anfangs nutzten sie Gelatine. Die hatte aber große Nachteile: entweder schmolzen die Medien durch die hohen Temperaturen, die die Bakterien zum Wachsen brauchten oder die die Mikroorganismen bildeten Enzyme und verdauten die Gelatine. Regelmäßig waren die Experimente ruiniert und die Laune im Labor sank.

 

Ein Gespräch beim Mittagstisch und eine Erfindung

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Fanny Angelina Hesse und Walther Hesse (Public Domain)

Walter Hesse war nach ein halben Jahr bei Robert Koch in Berlin in sein eigenes kleines Labor in Schwarzenberg zurückgekehrt. Eines Tages beschwerte er sich beim Mittagessen bei seiner Frau, die auch die Nährbouillon für die Bakterien kochte. Sie tauschten sich darüber aus, wie Fannys Puddings bei warmen Außentemperaturen fest blieben. Und Fanny, eine Deutsch-Amerikanerin, geboren in New York, hatte den entscheidenden Tipp. Sie schlug vor Agar-Agar zu verwenden, wie sie es aus den Rezepten ihrer Mutter für Gemüsesülze und Fruchtgelees kannte. So hatten sie es von einem ehemaligen New Yorker Nachbarn gelernt, der lange in Indonesien gelebt hatte.

Nur ein Griff in den Kühlschrank nach einem Geliermittel aus Java war nötig und die stockende Forschung in Berlin kam wieder ins Rollen. Agar-Agar war die Lösung und eignete sich hervorragend für die Kulturmedien. Es bildet bei Raumtemperaturen ein halbfestes Gel und blieb auch bei höheren Temperaturen fest. Bakterien können das Zuckerpolymer aus Algen nicht verdauen. Walther Hesse setzte Robert Koch umgehend von der Entdeckung seiner Frau in Kenntnis und Agar-Agar wurde schnell im Labor eingesetzt.

 

Die vergessene Frau, die Mikrobiologie revolutionierte

1882 informierte Robert Koch die Öffentlichkeit über die Isolierung des Tuberkulose-Erregers und erwähnte ganz nebenbei die Verwendung von Agar-Agar in den Kulturmedien. Die Ideengeberin und Erfinderin Fanny Hesse nannte er nicht. Walther und Fanny Hesse wurden für die Entdeckung niemals monetär belohnt und auch in der wissenschaftlichen Literatur nicht genannt. Erst 75 Jahre später schlugen Hitchens and Leikind (1939) in einem Artikel vor, das Rezept für den Nährboden mit Agar-Agar nach der Erfinderin „Frau Hesse’s Medium“ zu nennen.

Fanny Hesse arbeitete mit ihrem Mann weiterhin der Mikrobiologie als wissenschaftliche Illustratorin und Laborassistentin. Walther Hesse war später unter anderem an der Einführung der Pasteurisierung in Deutschland beteiligt.

 

Quellen:

Walther and Angelina Hesse –Early Contributors to Bacteriology http://www.asm.org/ccLibraryFiles/FILENAME/0000000227/580892p425.pdf

http://www.popsci.com/blog-network/ladybits/forgotten-woman-who-made-microbiology-possible

Woman in Science

 

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Mikrobenjäger mit Flossen

Bakterientaucher_DSMZTypische moderne Mikrobiologen stehen immer nur hübsch steril verpackt im weißem Kittel im Labor? Ganz falsch! Häufig geht es darum, Mikroorganismen direkt aus der Umwelt zu isolieren, um sie dann bestimmen zu können. Und diese „Umwelten“ können zum Teil recht unwirtliche Gegenden sein, wie etwa Mülldeponien oder auch nicht so leicht zugängliche – wie Unterwasserökosysteme. Also untertauchen!

Seit kurzem gibt es nun die ersten wissenschaftlichen Bakterientaucher in Braunschweig am Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen. Die DSMZ ist sozusagen eine „Arche Noah“ für Bakterien, Pilze, Viren und verschiedene Zelllinien. Der Fachmann spricht von einem Bioressouren-Zentrum. Und die Braunschweiger DSMZ gehört weltweit zu den größten. Ein Ziel der Wissenschaftler ist es, für die Sammlungen ständig neue Mikroben zu suchen, sie identifizieren und dann für die Forschung zur Verfügung zu stellen.

Auf der ständigen Suche nach neuen Mikroorganismen scheuen die Mikrobenjäger im Team um DSMZ-Nachwuchsgruppenleiter Dr. Christian Jogler neuerdings auch nicht davor zurück, die Flossen anzuschnallen und unter Wasser nach ihren „Schätzchen“ zu fahnden.

Ah super, da kann man den Beruf super mit dem Hobby verknüpfen? Auch falsch! Nicht jeder „dahergeschwommene“ Mikrobiologe darf das. Die Wissenschaftler sind ausgebildet und zertifiziert nach den Standards des Welttauchsportverbandes CMAS und spezialisiert auf die Erforschung von Bakterien. Vier Personen gehören zur Tauchgruppe, alle erfahrene Mikrobiologen mit einer zusätzlichen CMAS-Ausbildung zum wissenschaftlichen Taucher. Dabei geht es neben strengen Sicherheitsbestimmungen bei der Probenahme unter Wasser auch darum, sich vor Ort ein Bild vom Lebensraum der Bakterien zu machen und besonders umweltschonend vorzugehen. Schließlich sollen sich die Ökosysteme ungestört weiter entwickeln. Aber wozu das Ganze?

Meer als Apotheke der Zukunft

Tangwälder_JoglerJogler und sein Team haben eine Tauchexpedition vor zu den kalifornischen Tangwäldern in der Bucht von Monterey, 100 Kilometer südlich von San Francisco. Die Tangwälder gelten als die „Regenwälder des Meeres“. Sie sind besonders artenreich an Pflanzen und Tieren, aber auch an Mikroorganismen. Und diese sind bisher noch nicht gut untersucht.

Hier kann man noch eine mikrobiologische Schatzkiste öffnen, mit unbekannten kleinen Organismen mit einem unglaublichen Potential an mikrobiologischen Fähigkeiten. Die Gruppe der Breitbandantibiotika der Cephalosporine, verwandt dem Penicillin, basiert zum Beispiel auf einer marinen Pilzart. Eine Gruppe ungewöhnlicher Meeresbakterien sind auch die Planktomyceten, die Stoffwechselprodukte mit antimikrobieller Wirkung herstellen. Also vielleicht ebenfalls Kandidaten für die Entwicklung zukünftiger Antibiotika.

Aber nicht nur die die Wirkstoffe stehen im Fokus der Forscher, sondern auch das Zusammenleben der Mikroorganismenarten in ihrem natürlichen Biotop. Es geht darum, zu verstehen, wann sich die Mikroben als die Haupterzeuger der Meeresmedizin am wohlsten fühlen.

Zukünftig werden aber nicht nur die tropischen Meere aufgrund ihres Artenreichtums erforscht. Auch die Nordsee, das Wattenmeer, kalte Polarwasser könnten mit ihren Algen, Bakterien und Pilzen hochinteressant werden.

Hier sind noch weitere Schätze zu vermuten.

Quelle: Pressemitteilung DSMZ

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