Bienenwölfe nutzen seit 68 Millionen Jahren erfolgreich die gleichen Antibiotika

Anti­bio­ti­ka wer­den nicht nur vom Men­schen, son­dern auch von vie­len Insek­ten zum natür­li­chen Schutz gegen Krank­heits­er­re­ger ein­ge­setzt. Ein Team von For­schern der Johan­nes Guten­berg-Uni­ver­si­tät Mainz und des Max-Planck-Insti­tuts für che­mi­sche Öko­lo­gie in Jena hat nun her­aus­ge­fun­den, dass Bie­nen­wöl­fe das Pro­blem der Resis­tenz­bil­dung gegen­über Krank­heits­er­re­gern anschei­nend nicht ken­nen.

Bie­nen­wöl­fe 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.

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 Tobi­as Engl von der Johan­nes-Guten­berg Uni­ver­si­tät in 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 eine ein­zi­ge Grup­pe von Genen (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 immun-geschwäch­te Per­so­nen auf engem Raum zusam­men leben. „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 Mar­tin Kal­ten­poth, der in Jena eine Max-Planck-For­schungs­grup­pe lei­te­te, bis er 2015 auf einen Lehr­stuhl für Evo­lu­tio­nä­re Öko­lo­gie an der Uni­ver­si­tät Mainz 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 gegen ein mög­lichst 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.

Ori­gi­nal­pu­bli­ka­ti­on: Engl T et al. Evo­lu­tio­na­ry sta­bi­li­ty of anti­bio­tic pro­tec­tion in a defen­si­ve sym­bio­sis. Pro­cee­dings of the Natio­nal Aca­de­my of Sci­en­ces of the United Sta­tes of Ame­ri­ca

Quelle
Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
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