Bakterien - Gesundheitsindustrie BW

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Bakterien – eine Schatztruhe für Gentechniker Um sich vor Virusinfektionen zu schützen, entwickelten Bakterien ein vielfältiges Abwehrsystem. Eine Variante, das CRISPR/Cas9-System, sorgt gerade für Schlagzeilen, da es die Gentechnik revolutioniert. Prof. Dr. Rolf Backofen vom Institut für Bioinformatik der Universität Freiburg ist es nun gelungen, die Abwehrsysteme aller bis heute sequenzierten Bakterienarten zu klassifizieren – was die Suche nach weiteren, gentechnisch nutzbaren Methoden erleichtern wird.

Prof. Dr. Rolf Backofen © Rolf Backofen/IIF

Lange Zeit nahmen Wissenschaftler an, dass nur Wirbeltiere über ein Immunsystem verfügen, mit dem sie Krankheitserreger wie Bakterien und Viren bekämpfen. Erst vor rund zehn Jahren wurde klar, dass das ein Irrtum war. Auch Prokaryoten, also Bakterien und Archaeen, entwickelten ein Abwehrsystem, mit dem sie sich gegen Viren verteidigen. Sie nutzen dazu einen Mechanismus namens CRISPR. CRISPR steht für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Es handelt sich dabei um einen Erbgutabschnitt, der aus kurzen Palindromen besteht, also Sequenzen, die sich vorwärts und rückwärts lesen lassen, wie etwa „Ebbe“ oder „Hannah“. „45 Prozent der bislang sequenzierten Bakterien und 83 Prozent der Archaeen weisen mindestens eine CRISPRStruktur auf“, sagt Rolf Backofen vom Institut für Bioinformatik der Universität Freiburg.

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Bei einer Erstinfektion sind Bakterien ihren Angreifern – sogenannten Bakteriophagen, Viren, die ausschließlich Bakterien und Archaeen befallen – zunächst schutzlos ausgeliefert. Phagen sind etwa 1000-fach kleiner als Bakterien und schleusen ihre Erbinformation ins Innere der Bakterienzelle, um sich dort zu vermehren. Sind sie erfolgreich, vermehren sie sich dort so stark, dass die Bakterienzelle schließlich platzt.

Bakterien entwickelten ein Antivirus-Programm

Aufbau und Wirkungsweise des CRISPR/Cas-Systems in Bakterien und Archaeen © Backofen/IIF, Sita J. Saunders und Omer Alkhanbashi/IFF

Überlebt das Bakterium die Infektion, kann es sich aber gegen eine weitere Infektion schützen: Dazu baut es Teile der Phagen-DNA in sein eigenes Erbgut ein, genauer: in die CRISPR-Struktur zwischen zwei Palindrome (Spacer). Die auf diese Weise eingerahmte Virus-DNA wirkt von nun an wie ein molekularer Steckbrief: Infiziert sich das Bakterium erneut mit dem Virus, erkennt es die Übereinstimmung zwischen dem Steckbrief und der eindringenden DNA und zerstört die gefährliche Virus-DNA. An dem Schutzmechanismus sind neben der CRISPR-Struktur auch mehrere Proteine der CasFamilie beteiligt (Cas für CRISPR-associated): Mit ihrer Hilfe wird die Steckbrief-DNA in ein RNAMolekül übersetzt, das sich an den passenden DNA-Abschnitt eines neu eindringenden Virus anlagert. Dadurch aktiviert es die Nuklease, also die DNA-Schere, des Cas-Proteinkomplexes, die die Virus-DNA zerschneidet. „Wie das Abwehrsystem im Detail funktioniert, ist allerdings noch nicht verstanden“, sagt Backofen. Sicher ist, dass es unter den Bakterien und Archaeen weit verbreitet ist und in etlichen, verschiedenen Varianten vorkommt: Eine CRISPR-DNA kann zwei bis 250 Palindrome unterschiedlicher Länge (bis zu 50 Basenpaare) enthalten und mit 6 bis 20 Cas-Proteinen assoziiert ein. Bakterien können ihre gelernte Immunität, also ihr CRISPR/Cas-System, außerdem über den sogenannten horizontalen Gentransfer austauschen. Sie „impfen“ sich sozusagen gegenseitig. Das bedeutet, ein Prokaryot kann auch mehrere unterschiedliche CRISPR-Strukturen enthalten.

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Strukturierung der vielfältigen Virus-Abwehr

Klassifikation aller bekannten CRISPR/Cas-Systeme. Klasse 1 verwendet mehrere Proteine in einem Komplex für den Abwehrmechanismus, während die Systeme in der Klasse 2 hier mit einem einzigen Protein auskommen. Die Klassifikation basiert daher auf der Sequenzähnlichkeit von Gruppen von Proteinen. © Backofen/IIF

Diese Variabilität erschwerte die Klassifikation des CRISPR/Cas-Systems zunächst. Doch Backofen und sein Team entwickelten eine Software, die den modularen Aufbau des Abwehrsystems berücksichtigt und dazu in kurzer Zeit riesige Datenmengen analysiert: Mehr als 20.000 Proteinsequenzen in fünf Minuten. Das Ergebnis der Freiburger Bioinformatiker : Das Abwehrsystem der heute bekannten Prokaryoten lässt sich in zwei Klassen, fünf Untertypen und 16 Subtypen einteilen – abhängig von der Ähnlichkeit der CRISPR-Strukturen und den Ähnlichkeiten der beteiligten Proteine der Cas-Familie. „Basierend auf maschinellem Lernen ist unser Programm imstande, jedes neue Abwehrsystem automatisch einzuordnen“, sagt Backofen, der nicht ausschließen möchte, dass noch weitere, bislang unentdeckte Varianten existieren. Die Klassifikation hat mehrere Vorteile. Es können beispielsweise metagenomische Daten analysiert werden: „Man kann Bakteriengemeinschaften aus dem Magen oder auf der Haut als Ganzes sequenzieren und die vorhandenen Bakteriophagen-Immunitäten, also CRISPRSysteme, ermitteln“, sagt Backofen.

Anwendungen in Forschung, Industrie und Medizin Solche Informationen, so hoffen Forscher, könnten langfristig bei der Bekämpfung von Krankheitserregern oder anderen schädlichen Bakterien, etwa in der Lebensmittelindustrie, helfen: Hat man die Immunabwehr der Bakterien erst einmal richtig verstanden, könnte man diese auch gezielt manipulieren. Etwa indem man das CRISPR-System bei Krankheitserregern ausschaltet und Bakterien wieder anfällig macht für ihre natürlichen Feinde. Oder aber wertvolle Bakterien, etwa in der Milch verarbeitenden Industrie, impft, um sie auf diese Weise vor bestimmten Viren zu schützen.

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Zum anderen erleichtert die Klassifizierung die Suche nach neuen, biotechnologisch nutzbaren Methoden. So sorgt das CRISPR/Cas9-System derzeit für Schlagzeilen – die renommierte Fachzeitschrift Science erklärte die Methode zum Durchbruch des Jahres 2015. CRISPR/Cas9 lässt sich leicht zu einer hochpräzisen DNA-Schere umprogrammieren, mit der jede beliebige DNA-Sequenz geschnitten werden kann. So können DNA-Abschnitte herausgeschnitten oder DNA-Abschnitte neu eingefügt werden. Auf diese Weise ließen sich zumindest theoretisch Krankheiten heilen, für die es bislang keine Behandlungsmöglichkeiten gibt.

Fachbeitrag 15.02.2016 Juliette Irmer © BIOPRO Baden-Württemberg GmbH

Weitere Informationen Prof. Dr. Rolf Backofen Tel.: +49 (0)761 203-7461 E-Mail: backofen(at)informatik.uni-freiburg.de Lehrstuhl für Bioinformatik Freiburg

Der Fachbeitrag ist Teil folgender Dossiers

Evolutionsforschung - Von der klassischen Biologie zur molekularen Phylogenie

CRISPR/Cas – das Genome Editing ist en vogue

Sequenzierung Applikationsformen

Virus

Mikrobiologie

Abwehrmechanismen

Bakterium

Gentechnik

Immunsystem

CRISPR/Cas

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