Mikrobiomforschung deckt neue Form der Antibiotikatoleranz auf

Antibiotika können Infektionen erleichtern. Aber wie beeinflussen sie die komplexen Ökosysteme freundlicher Bakterien, aus denen unser Mikrobiom besteht?

„Wenn ein Arzt Antibiotika verschreibt, es stellt ein facettenreiches Experiment in Ihrem Magen-Darm-System auf, “ erklärt Will Ludington von Carnegie.

Neue Arbeiten unter der Leitung von K.C. Huang ging dieser herausfordernden Frage nach und entdeckte eine neue Form der Antibiotikatoleranz. Ihre Erkenntnisse, die wichtige gesundheitliche Folgen haben, werden veröffentlicht von eLife .

Dies ist eine von mehreren Forschungsfronten, an denen Ludington das Fruchtfliegen-Mikrobiom verwendet, um Wechselwirkungen zwischen Arten in einer Bakteriengemeinschaft zu verstehen. Es stellt eine ideale Umgebung dar, um sowohl natürliche Bakterienpopulationen als auch das menschliche Mikrobiom zu untersuchen.

Das menschliche Mikrobiom ist ein Ökosystem von Hunderten bis Tausenden von Mikrobenarten, die in unserem Darm leben. Es beeinflusst unsere Gesundheit und sogar unsere Langlebigkeit. Aber es ist schwierig, die unzähligen Arten zu erklären, auf denen die verschiedenen Arten, aus denen unser Mikrobiom besteht, miteinander interagieren und sich gegenseitig beeinflussen. auch unter normalen Bedingungen. Sobald Antibiotika eingeführt wurden, wenig ist darüber bekannt, wie diese lebenswichtigen Gemeinschaften auf biochemischer Ebene beeinflusst werden.

Deshalb ist die Fruchtfliege ein so hervorragendes Modell. Im Gegensatz zum menschlichen Mikrobiom es besteht nur aus einer Handvoll Bakterienarten.

Wir wollten unbedingt verstehen, wie sich die gezielte Ausrichtung eines Antibiotikums auf bestimmte physiologische Prozesse auf die metabolischen Interaktionen und die gemeinsame Nutzung von Ressourcen auswirkt, die zwischen Bakterienarten innerhalb einer Gemeinschaft auftreten. Das ist besonders wichtig, weil Bakterien in der Natur in unterschiedlichen Gemeinschaften leben."

Andrés Aranda-Díaz, Hauptautor der Stanford University

Die Einfachheit des Fruchtfliegen-Mikrobioms macht es zum perfekten Vehikel, um aufzuzeigen, wie dieses biochemische Zusammenspiel mehrerer Arten durch die Einführung von Antibiotika verändert wird.

„Wir fanden heraus, dass Interaktionen zwischen Arten im Ökosystem des Darmmikrobioms die Wirksamkeit von Antibiotika beim Abtöten einer einzelnen Art innerhalb dieser Gemeinschaft beeinflussen. sowie den Stoffwechsel der gesamten Gemeinschaft, “ sagte Huang.

Die Forscher zeigten, dass, wenn eine Art Bakterium aus dem Fruchtfliegen-Mikrobiom Lactobacillus genannt, der auch in Joghurt vorkommt, wird zusammen mit einem essigproduzierenden Fliegenbakterium namens Acetobacter gezüchtet. es ist weniger anfällig für den Tod durch Antibiotika.

Dies ist eine neu entdeckte Kategorie eines Phänomens, das als Antibiotikatoleranz bezeichnet wird. Das bedeutet, dass Zellen viel langsamer sterben, wenn sie zusammen gefunden werden, als sie es alleine tun würden. Toleranz kann gefährlich sein weil diese Verzögerung das Risiko erhöht, dass sich eine vollständige Resistenz gegen das Antibiotikum entwickeln könnte.

"Normalerweise, Toleranz tritt auf, wenn eine Zelle ihren Stoffwechsel als Reaktion auf eine Antibiotika-Exposition verlangsamt, " erklärte Ludington. "Aber in diesem Fall, die Toleranz ist tatsächlich mit einem erhöhten Stoffwechsel verbunden."

Es stellt sich heraus, dass die Acetobacter die Milchsäure verbrauchen, die von benachbarten Lactobacillus als Abfallprodukt ausgeschieden wird. Beiden Arten einen Fitnessvorteil zu verschaffen und die vom Team entdeckte Toleranz auszulösen.

"Wir wissen noch nicht genau, wie es passiert, aber wir denken, dass die beiden Bakterienarten beide „wissen“, wann der andere Zelltyp da ist, und entsprechend reagieren, “ sagte Benjamin Obadia von der UC Berkeley. „Diese Mechanismen sind wahrscheinlich aus dem Zusammenleben entstanden, und wir hätten sie nicht gesehen, wenn wir die beiden Arten isoliert untersucht hätten."

Die Arbeit des Teams zeigt, dass das Mikrobiom ein wichtiges Werkzeug sein kann, um die Beziehungen innerhalb von Bakteriengemeinschaften in der Natur auf biochemischer Ebene zu verstehen.

„Es zeigt auch, dass die Gesundheit des Darmmikrobioms berücksichtigt werden sollte, wenn Antibiotika verschrieben werden. “ fügte Ludington hinzu.

Das Studium der Prinzipien, die die Interaktionen zwischen Spezies und Spezies bestimmen, ist der Schlüssel zum Verständnis großer und kleiner Ökosysteme, und das Mikrobiom ist ein entscheidendes Werkzeug zur Untersuchung dieser Fragen.

Eine weitere kürzlich veröffentlichte Zusammenarbeit zwischen Ludington, Huang, und eine andere Stanford-Forscherin - die Biologin Lucy O'Brien - entwickelte eine neue Technologie, um die Eingeweide lebender Fruchtfliegen zu visualisieren. Genannt Bauchberg, Damit konnten sie erstmals einzelne Bakterienzellen im Darm einer lebenden Fruchtfliege beobachten.

„Durch die Beobachtung des Mikrobioms in Echtzeit, konnten wir seine Dynamik messen, " sagte Ludington von ihrer Zeitung, die in PLOS Biology erschienen.

Das Forschungsteam stellte fest, dass bestimmte Darmregionen eine hohe Mikrobiomstabilität aufweisen und andere einen kontinuierlichen Umsatz aufweisen. Dies deutet darauf hin, dass es im Darm der Fruchtfliege Strukturen gibt, die die Kolonisation aufrechterhalten, und öffnet die Tür für die Möglichkeit, dass Fruchtfliegen diese Strukturen entwickelt haben, um ihr Mikrobiom zu erhalten.

"Jetzt haben wir die Möglichkeit, die 'Gespräche' zwischen Mikrobiombakterien, und die Darmzellen in ihrer Umgebung, " sagte Huang

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