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Hilfreiche Mikroben : Nachricht aus dem Darm

  • -Aktualisiert am

Elektronenmikroskopische Aufnahme von E. coli: Genmanipulierte Darmbakterien könnten frühzeitig vor Erkrankungen warnen. Bild: Manfred Rohde/HZI dpa

Genetisch veränderte Bakterien registrieren Signalstoffe im Darm und geben anschließend Auskunft über dessen Zustand: Was Forschern nun in Mäusen gelang, könnte eine völlig neue medizinische Untersuchungsmethode werden.

          Wovon Nanotechnologen noch träumen, könnte mit Hilfe der synthetischen Biologie bald Wirklichkeit werden: Mikroskopisch kleine Helfer wandern durch den Körper, erstellen einen Lagebericht und geben dem Arzt anschließend Auskunft über den Gesundheitszustand des Untersuchten. Forscher der Harvard Medical School sind dieser Vision nun einen großen Schritt näher gekommen: In den „Proceedings“ der US-Amerikanischen Wissenschaftsakademie berichten sie von einem Bakterienstamm, der im Darm von Mäusen ein bestimmtes Antibiotikum erkennt und daraufhin einen genetischen Schalter umlegt, an dem man die Begegnung mit dem Stoff ablesen kann.

          Für die Herstellung der Mikroben nutzten die Wissenschaftler eine Kombination aus zwei genetischen Elementen, die den Einzellern ihre diagnostischen Fähigkeiten verleihen. Nach dem Grundprinzip der synthetischen Biologie entwarfen sie die maßgeschneiderte Mikroorganismen am Reißbrett und bauten sie mit den Werkzeugen der Molekularbiologie zusammen. Die für der Studie verwendeten Bausteine sind jedoch keineswegs künstlich: Zur Erkennung des Antibiotikums diente eine natürlich vorkommende  DNA-Sequenz aus dem E.coli-Bakterium, die das Ablesen eines dahinterliegenden Gens reguliert. Der genetische Schalter stammt aus dem Lambda-Phagen – ein Virus, das in Bakterien sehr häufig anzutreffen ist. 

          Die E. coli - Bakterien tragen zwei genetische Elemente, die ein Antibiotikum (gelbes Sechseck) im Darm der Mäuse erkennen und daraufhin ein Enzym produzieren, das die Einzeller blau färbt.

          Durch geschicktes Zusammenfügen dieser Elemente entwarfen die Biologen einen hochsensiblen Detektor für die Antibiotika-Moleküle: Bindet eines von ihnen an die Erkennungssequenz, wird das dahinterliegende Gen aktiviert und ein Protein produziert, das wiederum den genetischen Schalter umlegt. Die Folge davon ist die Herstellung eines Enzyms, das die Bakterien auf speziellen Nährböden blau färbt – so kann man mit bloßem Auge feststellen, ob die Einzeller mit dem Antibiotikum in Berührung gekommen sind.

          Konkurrenz durch natürliche Darmflora

          Die größte Schwierigkeit für die Forscher war jedoch die Überlebensfähigkeit der Bakterien in einer so dicht besiedelten Umgebung wie den Verdauungsorganen eines Säugers. In ersten Versuchen verwendeten sie Laborstämme von E. Coli, die sich im Darm von Mäusen gegen die dort beheimatete, übermächtige Konkurrenz nicht durchsetzen konnten. Doch genau hier verbarg sich auch die Lösung zu diesem Problem: Die Biologen isolierten ein Bakterienstamm aus der natürlichen Flora der Mäuse und setzten ihm die genetischen Elemente ein  – mit Erfolg. Fütterte man die Mäuse mit diesen Mikroben, überlebten sie die Reise durch deren Körper und fanden sich auch in ihren Ausscheidungen. Bei Mäusen mit Antibiotikabehandlung zeigten sie in Kultur die gewünschte blaue Farbe, während sie bei unbehandelten Kontrolltieren weiß blieben.

          Petrischale mit Bakterienkolonien. Die genetisch veränderten E. coli - Bakterien färben sich auf bestimmten Nährmedien blau, wenn sie mit dem Antibiotikum in Kontakt gekommen sind.

          „Diese Experimente ebnen den Weg für die Entwicklung lebender Überwachungsinstrumente, die mit künstlichen Gen-Netzwerken unterschiedlichste Diagnosen erlauben“, meint Pamela Silver, die Leiterin der Studie. Denn die zwei-Komponenten-Strategie ließe sich beinahe beliebig anpassen: Es existiert ein Vielzahl an genetischen Erkennungssequenzen, die man zum Aufspüren von unterschiedlichsten Molekülen einsetzen kann. Neben den blaufärbenden Enzymen lassen sich zudem eine Reihe weiterer sogenannter „Reporter-Gene“ einsetzen, die auf unterschiedliche Weise eine Bindung des jeweiligen Moleküls signalisieren. So könnte man mit einer Kombination verschiedener Bakterienstämme mehrere Faktoren gleichzeitig testen.

          Viele Erkrankungen – von Entzündungen über Infektionen bis hin zu Krebs - ließen sich damit frühzeitig erkennen und behandeln, denn diese verraten sich oft durch molekulare Signale im Verdauungstrakt. Ginge es nach den Forschern, wäre es in Zukunft Teil der medizinischen Vorsorge, ein Präparat mit spezialisierten Bakterien zu schlucken, die den Körper nach bestimmten Molekülen absuchen und anschließend in einer Stuhlprobe wieder abgegeben werden. Erst wenn sich im Labor dann Hinweise auf Erkrankungen zeigen, müsste auf invasivere Untersuchungstechniken wie eine Darmspiegelung zurückgegriffen werden.

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