Der von symbiotischen Bakterien produzierte Antibiotikacocktail hat sich im Laufe der Evolution kaum verändert und wirkt unvermindert
15.02.2018
Die Entdeckung von Penicillin vor etwa 90 Jahren und die flächendeckende Einführung von Antibiotika zur Bekämpfung infektiöser Krankheiten hat die Humanmedizin revolutioniert. In den letzten Jahrzehnten hat jedoch die Anzahl resistenter und multiresistenter Keime kontinuierlich zugenommen und stellt die moderne Medizin vor massive Probleme. Antibiotika werden jedoch nicht nur vom Menschen, sondern auch von vielen Insekten zum natürlichen Schutz gegen Krankheitserreger eingesetzt. Ein Team von Forschern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena hat nun herausgefunden, dass Bienenwölfe das Problem der Resistenzbildung gegenüber Krankheitserregern anscheinend nicht kennen. Sie schützen ihren Nachwuchs mit symbiotischen Bakterien, die einen Antibiotika-Cocktail aus 45 Substanzen bilden, vor Schimmelpilzen. Die Vielfalt der Substanzen ist nicht nur weitaus höher als bislang angenommen, sondern seit dem Ursprung dieser Symbiose vor 68 Millionen Jahren erstaunlich stabil geblieben.
Bienenwölfe sind solitäre Grabwespen, die für ihre Nachkommen gelähmte Bienen als Vorräte in unterirdischen Brutzellen anlegen. Nachdem die Larve aus ihrem Ei geschlüpft ist, frisst sie den Proviant und überwintert danach in einem selbstgesponnenen Kokon im Boden. Dabei ist sie durch schnell wachsende Schimmelpilze gefährdet, deren Sporen im umliegenden Boden lauern. Zu ihrem Schutz haben Bienenwölfe nicht nur eigene Abwehrmechanismen entwickelt, sondern greifen auch auf das chemische Arsenal von Mikroorganismen zurück. Ausgewachsene Weibchen züchten in ihren Antennen Bakterien der Gattung Streptomyces, die sie ihren Nachkommen mit in die Brutzelle geben. Wenn Larven nun ihren Kokon spinnen, weben sie diese Streptomyceten mit in die Kokonseide ein, welche dort wiederum einen Cocktail aus unterschiedlichen Antibiotika produzieren. Diese schützende Schicht verhindert, dass Schimmelpilze in den Kokon eindringen und die Larve befallen können.
In der vorliegenden Studie in Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America konnten die Mainzer und Jenaer Wissenschaftler zeigen, dass die Schutzsymbiose zwischen Bienenwölfen und ihren bakteriellen Partnern nicht nur bereits seit der Kreidezeit besteht, sondern dass sich der antibiotische Erregerschutz seit seiner Entstehung vor etwa 68 Millionen Jahren nicht grundlegend verändert hat. Alle untersuchten Bienenwolf-Arten nutzten sehr ähnliche Gemische an Antibiotika von nur zwei Grundstrukturen, Streptochlorin und Piericidin. "Wir hatten eigentlich erwartet, dass einige Bienenwolfsymbionten im Laufe der Evolution neue Antibiotika in ihr Arsenal aufgenommen haben, die ihren Wirten helfen, sich gegen neue oder resistente Schimmelpilze zu verteidigen", meint Dr. Tobias Engl von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der Erstautor der Studie. Die ursprüngliche Zusammensetzung des Antibiotika-Gemisches war aber wohl so effektiv, dass sich in allen untersuchten Arten nur wenig daran geändert hat. Dabei war wahrscheinlich besonders wichtig, dass dieses Gemisch gegen eine möglichst große Anzahl unterschiedlicher Schimmelpilze wirksam ist, da keine spezialisierten Krankheitserreger von Bienenwölfen bekannt sind, die Resistenzen gegen die Antibiotika ausbilden könnten.
Der breite Schutz des Antibiotika-Cocktails gegen eine Vielzahl an Schimmelpilzen beruht somit wahrscheinlich auf der großen Zahl von Substanzen, die von den Symbionten produziert werden. Da die meisten davon auf ein einziges Gencluster zurückzuführen sind, untersuchten die Wissenschaftler auch die molekularen Ursachen für die große Zahl an Produkten. Sie stellten dabei an mehreren Schlüsselstellen der Biosynthese fest, dass die Enzyme der symbiotischen Streptomyceten weniger selektiv arbeiten als die freilebender Bakterien. Diese Ungenauigkeit führt zum Einbau unterschiedlicher Ausgangssubstanzen, wodurch eine größere Anzahl an Produkten gewonnen werden kann. Zusätzlich wird das direkte Endprodukt der Piericidin-Biosynthese noch auf vielfache Weise modifiziert. Das Ergebnis ist eine Vielzahl von Antibiotika, die bei verschiedenen Bienenwolf-Arten in unterschiedlichen Mengen vorkommen. Ein geographisches Muster in den relativen Mengen der einzelnen Antibiotika lässt darauf schließen, dass sie bis zu einem gewissen Grad eine Anpassung an lokale Schimmelpilz-Gemeinschaften erlauben.
Bienenwölfe und ihre Symbionten-produzierten Antibiotika sind dabei wohl einem anderen Selektionsdruck ausgesetzt als wir Menschen. Krankheitserreger beim Menschen gewinnen einen enormen Vorteil, wenn sie gegen gängige Antibiotika resistent werden, und können diesen Vorteil effektiv nutzen, da sie aufgrund unseres engen Zusammenlebens von Mensch zu Mensch übertragen werden können. Besonders vorteilhaft ist dies, sobald sie sich einmal in einem Krankenhaus ausbreiten können, wo sehr viele und oftmals immungeschwächte Personen auf engem Raum zusammenleben. "Bienenwölfe kommen im Gegensatz dazu meist nur in recht kleinen Populationen vor, die oft ihren Standort wechseln, da sie auf offene Sandflächen für ihre Nisthöhlen angewiesen sind", erklärt Prof. Dr. Martin Kaltenpoth, der in Jena eine Max-Planck-Forschungsgruppe leitete, bis er 2015 auf einen Lehrstuhl für Evolutionäre Ökologie an der JGU berufen wurde. "Dadurch haben resistente Krankheitserreger kaum eine Möglichkeit, sich innerhalb und zwischen Populationen auszubreiten." Vielleicht sind deshalb noch keine resistenten Mikroorganismen bekannt, die sich auf den Bienenwolf spezialisiert haben. Viel wichtiger scheint für die Bienenwölfe also zu sein, dass ihre Verteidigung möglichst gegen ein breites und ständig wechselndes Spektrum an Schimmelpilzen wirksam ist. Dieser Selektionsdruck war wohl entscheidend dafür, dass sich sehr früh in der Evolutionsgeschichte der Symbiose ein effektives Gemisch entwickelt und seitdem kaum verändert hat.