Active and passive resistance mechanisms of Bacillus subtilis against cell envelope targeting antibiotics

In der modernen Medizin ist der Einsatz von Antibiotika unverzichtbar, um Infektionskrankheiten zu behandeln und Menschenleben zu retten. Jedoch erwerben Bakterien mit einer alarmierenden Rate Resistenzen gegen diese und drohen die bekannten Antibiotika unwirksam zu machen. Daher ist der gezielte Einsatz von Antibiotika zur Verhinderung der Entstehung von Resistenzen von größter Bedeutung. Um Antibiotika effizienter einzusetzen, dürfen die Umweltbedingungen und die allgemeine Struktur der biochemischen Pathways nicht außer Acht gelassen werden, da sie erhebliche Auswirkungen auf die Antibiotikaaktivität haben können. In dieser Arbeit wurde die Empfindlichkeit des grampositiven Bakteriums Bacillus subtilis gegen Antibiotika, die die Zellhülle angreifen, analysiert. Als Angehöriger des Phylums Firmicutes und aufgrund der starken Konservierung der Zellwandsynthese liefern die hier gewonnenen Erkenntnisse in B. subtilis wertvolle Einblicke in die Resistenz gefährlicher Krankheitserreger desselben Phylums wie Staphylococcus aureus und Clostridium tetani. Zuerst wurde die natürliche Stressreaktion der Zellhülle auf das neuartige Antibiotikum Laspartomycin C untersucht. Während das sehr ähnliche Antibiotikum Friulimicin B nur sigma M induziert, aktiviert Laspartomycin C zusätzlich das Lia- und beide der hier getesteten Bce-ähnlichen Module. Diese Unterschiede sind vermutlich auf kleine, aber wirkungsvolle Ungleichheiten in der Antibiotikastruktur zurückzuführen, die einerseits UP-gebundenem Friulimicin B ermöglichen zu multimerisieren und andererseits eine stärkere Störung der Membranstruktur durch Laspartomycin C bewirken. Die verliehene Resistenz dieser Module wurde mittels Deletionsstämmen weiter untersucht. Keines der hier getesteten Module bot einen Schutz gegen eines der beiden Antibiotika. Für eine mögliche Verwendung dieser Antibiotika als klinische Arzneimittel ist das Ausbleiben einer Schutzwirkung durch diese Module vielversprechend. Die Induktion der natürlichen Resistenzmodule durch Laspartomycin C könnte jedoch auf ihre weitere Evolution in Richtung vollständiger Resistenz hinweisen, und sollte in weiteren Studien berücksichtigt werden. Langsames Wachstum wird häufig mit Resistenzen gegen ungünstige Umweltbedingungen und Antibiotika in Verbindung gebracht. In vielen Fällen ist diese höhere Resistenz bedingt durch einen langsamen Metabolismus, wodurch der schädigende Effekt durch ungünstige Umweltbedingungen und Antibiotika verlangsamt wird. Neben der allgemeinen Stoffwechselrate wird der Stoffwechsel von Bakterien in Abhängigkeit von der Wachstumsrate stark reguliert. Beispielsweise sind schnell wachsende Bakterien signifikant größer und daher wird erwartet, dass sie mehr Zellwandmaterial benötigen. Mit der Hochregulierung der Zellwandsynthese werden somit Engpässe erwartet, was zu Veränderungen der Empfindlichkeit gegen Zellwand-schädigende Antibiotika in Abhängigkeit von der Wachstumsrate führen sollten. In der vorliegenden Arbeit wurden inhibitorische Konzentrationen verschiedener Zellhüll-schädigender Antibiotika bei unterschiedlichen Wachstumsraten bestimmt. Unerwarteterweise erwies sich dabei die Aktivität der meisten Antibiotika als stabil. Allein das Zellhüll-schädigende Bacitracin zeigte einen Anstieg der inhibitorischen Konzentration um 40% in schnellem Wachstum. Verglichen mit Ribosom-schädigenden Antibiotika, die einen Anstieg um bis zu 500% in der gleichen Wachstumsratenspanne zeigten, ist diese höhere Resistenz jedoch zu vernachlässigen. Diese Ergebnisse deuten auf eine strenge Regulierung der Zellwandsynthesemaschinerie hin, die das Auftreten von Engpässen trotz sich ändernder Anforderungen an Zellwandmaterial verhindert. Daher bieten sich Zellhüllschädigende Antibiotika als vielseitige Werkzeuge im Einsatz sowohl gegen langsam wachsende, chronische als auch gegen schnell wachsende, akute Infektionen an.