Bunte Rechtecke

von Miriam Anton

Immer wieder prüfen: Forschung ist Laborarbeit

In den Fluren des weißen Betongebäudes drängen sich Kühlschränke, in denen Bakterien bei Minus 80 Grad frieren. Glasflaschen mit blauen Deckeln und Aufschriften wie Ethanol, Isopropanol und Triton x-100 Detergenz bevölkern die rotbraunen Arbeitsflächen.


"Gentechnik-Bereich-Sicherheitsstufe 1", warnt die Eingangstür. Im größten und hellsten Büro der Abteilung für Mikrobiologie arbeitet Regine Hakenbeck wie gewöhnlich an ihrem PC. Die Zeiten, in denen sie Bakterienkulturen in Petrischalen gezüchtet hat, sind vorbei. Heute forscht sie anders: Sie regt an, koordiniert und kommuniziert. Ihr Ziel ist jedoch noch immer das gleiche: Antibiotikaresistenzen zu verstehen und zu verhindern. "Die Zahl der Penicillin-Resistenzen bei Pneumokokken steigt dramatisch", sagt die Professorin für Mikrobiologie. Der Grund: Antibiotika werden oft unnötig verschrieben. "Die häufige Einnahme verstärkt die Resistenzentstehung." Auch in Deutschland. Hier werden pro Jahr etwa 66 Millionen Tagesdosen Penicillin geschluckt.

Resistente Pneumokokken-Stämme

Das ist das Problem: "Ende der 70er-Jahre traten in einer südafrikanischen Klinik multipel-resistente Pneumokokken-Stämme auf, die es vorher nicht gegeben hat", erzählt Hakenbeck. Für die an Lungenentzündung erkrankten Patienten wurde kein passendes Antibiotikum gefunden. Das einzige Antibiotikum, das noch eingesetzt werden konnte, war schließlich Vancomycin. Doch zu diesem Zeitpunkt war es für viele Patienten bereits zu spät. Seitdem befassen sich Forscher weltweit mit Pneumokokken-Resistenz.


Der Kampf der Wissenschaftler aus Kaiserslautern gegen diese Resistenz läuft auf zwei Wegen: Zum einen versuchen sie, neue Targetproteine zu finden, an denen das Antibiotikum seine Arbeit verrichten kann. Das allerdings dauert: Zehn Jahre vergehen von der Erschließung eines neuen Targets bis zum Wirkstoff in der Packung. Zum anderen versuchen die Forscher, das Übel an der Wurzel zu packen: "Es geht auch darum, Strategien zu entwickeln, die verhindern, dass sich die resistenten Bakterien ausbreiten." Die Rechnung ist einfach. Je mehr Penicillin geschluckt wird, desto stärker verbreitet ist die Resistenz. Spanien, Portugal und Island sind am stärksten von der Resistenz betroffen", sagt Hakenbeck.

Vergleich der Erbinformationen

Doch der Weg zum neuen Antibiotikum ist mehr als komplex. In mühsamer Kleinarbeit versuchen weltweit Forscher zu verstehen, wie Bakterien ihre Resistenz weitergeben oder wo die Antibiotika bei den Bakterien noch wirkungsvoll ansetzen können. Regine Hakenbeck und ihr Team lieferten hier Grundlagen: Im Vergleich der Erbinformationen resistenter und nicht resistenter Bakterien fanden sie die wesentlichen Mutationen der resistenten Bakterien. Ihre Arbeit ist die Grundlage für die schnelle Diagnose widerstandsfähiger Keime. Regine Hakenbeck greift zu Stift und Papier. Sie malt einen Kreis, das Protein, mit einer mondförmigen Einkerbung. Daneben zeichnet sie das Antibiotikum. Es ist rund und passt genau in die Lücke. Hakenbeck skizziert ein zweites Protein, dessen Oberfläche an einer Stelle eckig ist. "Das Antibiotikum passt nicht mehr dran und kann so das veränderte Protein nicht mehr hemmen, was dadurch weiterhin ungehindert Zellwand synthetisieren kann."

Die Suche nach der Methode

Im Moment gibt es noch keine Methoden, die Resistenzentwicklung tatsächlich zu bestimmen. Die Zahlen können jeweils nur für eine untersuchte Klinik sprechen. Beide Forschungswege, die Suche nach neuen Targetproteinen und die Bekämpfung der Ausbreitung resistenter Bakterien, fangen im Labor an. Auch für Carina Bergmann.

Routineanalyse der DNA

Mühsame Kleinarbeit: Lösen der DNA aus den Zellen

Ein Reagenzglas mit einer milchigen Flüssigkeit steht in einem Kasten mit zerstoßenem Eis. Hier im Labor wird der Resistenzmechanismus untersucht. Dazu muss als erstes die DNA, die Erbinformation des Bakteriums, im Labor isoliert werden. Die Mikrobiologin Carina Bergmann hat über Nacht Pneumokokken in einem Nährmedium wachsen lassen. Sie zieht sich einen weißen Kittel an und beginnt, die DNA zu isolieren. Bergmann legt das Reagenzglas in eine Zentrifuge. Bei vier Grad dreht sich das Reagenzglas 10.000 Mal pro Minute. Nach einigen Minuten setzen sich die Zellreste wie ein Pilz am Reagenzglas ab. Die Mikrobiologin gibt Ethanol dazu: "Das ist so etwas wie Spülmittel."

Nachdem die Zellen zerplatzt sind, fischt sie die DNA mit einer Glaspipette heraus. "Ganz schöne Fummelarbeit." An der DNA kleben jedoch noch immer Proteine. Da helfen ein paar Milliliter Phenol. Es riecht nach Knetmasse. Bergmann streift sich gelbe Gummihandschuhe über, um sich vor der giftigen Flüssigkeit zu schützen.

Parallel zur Isolierung der DNA löst die Biologin in einer Mikrowelle Agarose auf, ein Gel, das von Algen produziert wird. Diese füllt sie in eine so genannte Gelkammer, in die sie die gewonnene DNA zusammen mit einem Marker aufträgt. Jetzt legt Bergmann die Kammer in ein Tauchbad und schaltet den Strom ein. Bei 120 Volt wandert die negativ geladene DNA langsam in Richtung des positiv geladenen Pols. Die Wanderungsgeschwindigkeit der Nukleinsäuren durch die Poren des Gels ist vom Molekulargewicht und der Struktur des Moleküls abhängig. Je größer die Nukleinsäuren sind, desto langsamer wandern sie. "Die Elektrophorese zeigt uns, wie groß ein DNA-Molekül ist."

Bergmann stellt das Gel unter ultraviolettes Licht. Sie schaut konzentriert auf die glibberige Masse, die im Wasserbad lila schimmert. Die winzigen Rechtecke auf der Oberfläche leuchten pink. "Mit der restlichen DNA können wir weiterarbeiten."

Gelbe, grüne und rote Moleküle

Ein Gen aus der DNA wird vervielfältigt, mit Fluoreszenz markiert und auf ein weiteres Gel aufgetragen. Der Computer kann dann das Gen auf dem Gel ablesen. Gen-Fragmente sind als bunte Rechtecke auf dem Bildschirm zu sehen. Eines davon besteht aus etwa 500 Basen. Manche Rechtecke sind mehr gelb, die anderen enthalten mehr Grün oder Rot. So lassen sich 10.000 DNA-Moleküle gleichzeitig vergleichen und dann DNA-Sequenzen darstellen. "Ein Computerprogramm errechnet die DNA-Sequenzen", sagt Bergmann. Sie erscheinen dann auf dem Bildschirm als endlose Reihe von As, Cs, Gs und Ts, Kurzformen für die vier Bausteine, aus denen das Erbgut besteht.

Mutierende Targetproteine

"Die Penicillin-Resistenz in Pneumokokken beruht auf Veränderungen der Targetproteine, so genannter penicillinbindender Proteine", erklärt Hakenbeck das komplizierte Geschehen. Das Penicillin bindet sich an diese Proteine und zerstört die Zellwand. Die erwünschte Folge: Das Bakterium stirbt ab. Durch falsche oder zu häufige Einnahme von Penicillin mutieren die Targetproteine. So können die Bakterien nicht abgetötet werden. "Das Problematische dabei ist, dass die resistenten Bakterien ihre Erbinformation an die nicht-resistenten weitergeben. Bei Pneumokokken bezeichnet man das als Transformation, eine sehr effiziente Art, um Resistenz zu verbreiten." Tagesroutine in Genlabors. Routine auch in Kaiserslautern.

Abweichungen im Erbgut gesucht

Sind die genauen Sequenzen bekannt, versucht das Forscherteam herauszufinden, welche Gene genau für die Resistenz verantwortlich sind. Hakenbeck und ihr Team vergleichen resistente und nicht-resistente Stämme sowie Bakterien der jeweiligen Gruppen miteinander. Gesucht: Die Abweichungen im Erbgut verschiedener Bakterien, der Schlüssel ihrer Resistenz. "Bakterien schlafen nicht, sie geben ihre Resistenz weiter", sagt Carina Bergmann. Sie stellt die Abweichungen vereinfacht dar: Um die einzelnen DNAs der Stämme besser vergleichen zu können, hat sie sie verkürzt als Stäbchen dargestellt. Weichen zwei Stellen der Sequenzen voneinander ab, werden diese Abschnitte mit einer Farbe gekennzeichnet. Besonders bunte Stäbchen signalisieren auffällig: Die DNA des Bakteriums hat an vielen Stellen DNA-Fragmente mit anderen Bakterien ausgetauscht. "Das sieht so aus wie bei Mondrian", sagt Hakenbeck und zeigt auf das Poster des Malers, das im Labor hängt.

Verantwortliche Gene isolieren

Die Bakterien, das heißt die Pneumokokken, werden in ein Medium mit Penicillin gegeben. Viele der Bakterien sterben ab, einige überleben. Nämlich die Bakterien, die vorher schon resistent waren. Diese werden isoliert und wieder in Penicillin gegeben, diesmal in eine höhere Konzentration. Dies wird mehrmals wiederholt, anschließend wird die DNA dieser Mutanten isoliert. Die Mutanten-DNA wird in Stämme sensitiver Bakterien gegeben. Dann wird beobachtet, ob die sensitiven Bakterien das neue Erbgut aufnehmen und resistent werden. "Funktioniert die Aufnahme, spricht man von Transformation. Wir wissen genau, dass dieses bestimmte Gen für die Resistenz verantwortlich ist", erklärt Carina Bergmann. So haben es Hagenbeck und ihr Team geschafft, die für die Resistenz verantwortlichen Gene ausfindig zu machen. Damit aber nicht genug.

Notsystem identifiziert

Lange Zeit hatte man geglaubt, dass allein die Targetproteine für die Penicillinresistenz verantwortlich sind. Doch die Bio-Forscher aus Kaiserslautern haben neue Einblicke in den Resistenzmechanismus gewonnen: Resistente Mutanten zeigten, dass die Zellen eine Art Notsystem anwerfen, wenn die Zellwand durch die Penicillinbehandlung angegriffen wird. "Auf diese Weise können potenzielle Kandidaten für Targets gefunden werden", erklärt Hakenbeck. "Ein neues Antibiotikum zu finden dauert für Pharmaunternehmen Jahre, aber wir können entscheidende Vorarbeit dazu liefern."