Ein Darm-Schmarotzer wird zum Labor-Arbeitspferd

Im Mai 2011 starben 53 Menschen in Deutschland an einer Infektion mit Escherichia-coli-Bakterien. Eigentlich sind die Einzeller aber völlig harmlos und unverzichtbar für die Biotechnologie.

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Lange, stäbchenförmige Escherichia-coli-Bakterien in rasterelektronenmikroskopischer Auflösung. Die Bakterien wurden im Nachhinein blau eingefärbt und wirken sehr plastisch.

Erinnern Sie sich? Vor rund zehn Jahren war Deutschland der Schauplatz einer tödlichen Epidemie, fast 4.000 Menschen erkrankten, 53 starben. Fälle häuften sich besonders im Norden des Landes, wo man mit kriminalistischem Geschick den Kreis der Verdächtigen schnell eingrenzte: Gemüse, über dessen Verzehr der Erreger seinen Weg zum Opfer fand.

Auf der Anklagebank landeten zunächst Gurken aus Spanien, ein Importstopp wurde verhängt. Letztlich überführte das Bundesamt für Risikobewertung „mit hoher Wahrscheinlichkeit“ jedoch Bockshornklee-Samen aus Ägypten, die ein niedersächsischer Gartenbaubetrieb als Sprossengemüse gezogen und verkauft hatte. An diesen Samen klebte ein pathogener, also krankmachender Stamm (eine genetische Variante) des weit verbreiteten Bakteriums Escherichia coli: sogenannte enterohämorrhagische Escherichia coli oder kurz EHEC. Ganz anders als ihre Spezies-Geschwister produzieren sie einen Giftstoff, das Verotoxin. Dieses Toxin können sie über einen an eine Injektionsnadel erinnernden Apparat in Darmzellen einspritzen. Die Darmzellen sterben ab, es kommt zu blutigem Durchfall. Schlimmstenfalls führt eine Infektion mit EHEC zum Tod.

Beliebt im Labor

Derselbe Mikroorganismus, der 2011 einige Menschen das Leben kostete, ist im Labor jedoch ein gern gesehener Gast und sogar fleißiger Mitarbeiter. Wie hat der kleine Einzeller das geschafft? Begonnen hat Escherichia colis Aufstieg in den Olymp der Molekularbiologie und Biotechnologie ganz bescheiden in einem Krankenhaus der Uni Stanford in Palo Alto, Kalifornien. Im Jahre 1922 liegt dort ein Patient mit Diphtherie, der sich auf dem Weg der Besserung befindet. Bei der Diphtherie infiziert ein Bakterium namens Corynebacterium diphtheriae die oberen Atemwege; es kommt unter anderem zu Schluckbeschwerden, Bauchschmerzen und Fieber. Warum ein gewisser Dr. Blair ausgerechnet diesem Patienten eine Stuhlprobe entnahm, ist nicht überliefert. Diese enthielt jedoch eine wichtige Fracht: den Escherichia-coli-Stamm, der unter dem Namen K-12 bekannt werden und der Biologie wichtige Erkenntnisse liefern sollte.

Im Allgemeinen sind Escherichia-coli-Bakterien harmlos. Sie siedeln sich nur wenige Stunden nach der Geburt über Nahrung und Kontakt als erste Mitbewohner in unserem bis dahin Mikroben-freien Darm an. Und bleiben dort auch ein Menschenleben lang, ohne groß Stress zu machen. Ihr Entdecker, der Kinderarzt Theodor Escherich, bezeichnete den Mikroorganismus daher auch als „harmlosen Schmarotzer“. Er nannte den Mikroorganismus 1886 Bacterium coli commune, abgeleitet vom Fundort, dem Colon. Erst 1919, acht Jahre nach Escherichs Tod, erhielt der stäbchenförmige Einzeller zu Ehren seines Entdeckers den Namen Escherichia coli, im Fachjargon kurz E. coli.

Escherichs Erstbeschreibung des Darm-Bakteriums klingt fast poetisch: „Die individuellen Verschiedenheiten der Colonien vermehren sich noch bei der Betrachtung mit schwacher Vergrösserung. Die Oberfläche erscheint bald rissig, zerklüftet, von einem zarten homogenen Saum umgeben, bald von moireeartig angeordneten zierlichen Linien durchzogen, dann wieder radiär wie von einem Scheitel ausstrahlend oder mit mäanderartiger Zeichnung des Randes.“

Der Name der Probe

Aber zurück zum E.-coli-Stamm K-12. Noch heute rätselt man darüber, wie das Namenskürzel zustande gekommen ist. Handelt es sich um den Namen einer entsprechenden Schublade im Proben-Archiv der Uni Stanford oder gar die Bezeichnung des Krankenhauszimmers, in dem der Diphtherie-Patient gelegen hatte? Endgültige Klärung wird es wohl nicht mehr geben.

Klar ist hingegen das Schicksal des Stamms selbst. Zunächst diente er Studenten und Professoren in der Bakteriologie-Abteilung der Uni Stanford als Lehr- und Lernmaterial. Denn er ließ sich einfach kultivieren und vermehrte sich schnell (Eigenschaften, die ihn auch bei heutigen Experimentatoren beliebt machen). Unter optimalen Bedingungen brauchen die Zellen nur 20 Minuten, um sich zu verdoppeln. Perfekt für Uni-Praktika also. Und ein absoluter Glücksfall für die molekularbiologische Forschung, wie sich später zeigen sollte.

Auftritt: Nobelpreisträger Joshua Lederberg und Edward Tatum. Tatum arbeitete in den 1940er-Jahren ebenfalls an der Uni Stanford. Dort interessierte er sich besonders für die Biosynthese von Aminosäuren wie Threonin und Tryptophan. Während wir Menschen diese Aminosäuren über unsere Nahrung aufnehmen müssen, produzieren Pflanzen und Mikroorganismen sie selbst. Letztere lassen sich im Labor recht einfach halten und geben biologische Inhaltsstoffe zur Analyse unkompliziert her. Mehr als einen Glaskolben, etwas Nährmedium und ein paar Chemikalien brauchte man damals nicht, um Millionen Organismen kultivieren und anschließend untersuchen zu können.

Gene in Bakterien?

Von früheren Versuchen mit dem damals im Labor häufig verwendeten Schimmelpilz Neurospora crassa wusste Tatum, dass eine Behandlung mit Röntgenstrahlen die Biosynthese verschiedener Substanzen stört. Er führte diese Beobachtung darauf zurück, dass die Bestrahlung das Erbgut verändert und somit den Bauplan für die Produktion von Proteinen zerstört hatte. Sollte bei Bakterien dasselbe Prinzip gültig sein? Damals war noch völlig unklar, ob es in Bakterien überhaupt Gene gibt, also spezielle Abschnitte des Erbgutes, die für bestimmte Proteine codieren.

Wie zuvor den Schimmelpilz Neurospora beschoss Tatum nun E. coli mit Röntgenstrahlen. Wie erhofft kreierte er auf diese Weise mutierte Bakterien-Varianten. Einige konnten zum Beispiel kein Threonin mehr herstellen. Um sie am Leben zu erhalten, musste Tatum die Bakterien separat mit der Aminosäure „füttern“ (PNAS, 30(12):404–10).

Zur damaligen Zeit hatten diese Experimente viel mit Zufall zu tun. Forscher konnten nicht wie heutzutage mit CRISPR und Co. gezielt ein bestimmtes Gen anvisieren (mehr zu CRISPR-Geschichte und CRISPR-Babys gibt’s auch hier bei den RiffReportern). Nichtsdestotrotz hatte E. coli mit diesen Erbgut-verändernden Versuchen das Reich der experimentellen Genetik betreten. Und zog immer mehr Forscher an, die ebenfalls die Vorteile des so genügsamen Bakteriums für ihre Zwecke nutzen wollten. Auch Joshua Lederberg, der zu jener Zeit auf der Suche nach einem leicht zu manipulierbaren Modellorganismus war. Tatum schlug E. coli K-12 vor. „Rückblickend wissen wir, wie viel Glück wir hatten, dass wir diesen Stamm ausgewählt haben“, erinnert sich Lederberg im Jahr 2004 in einem Essay.

Schwarz-Weiß-Foto des Nobelpreisträgers Joshua Lederberg, der in Hemd und Krawatte in seinem Labor mit Bakterienkulturen arbeitet.
Joshua Lederberg im Oktober 1958 in seinem Labor an der University of Wisconsin. Zu dieser Zeit arbeitete er mit Escherichia coli, aber auch mit Salmonellen.

Bakterien-„Sex“

Der Grund dafür ist spannend wie banal: K-12 gehört zu den wenigen E.-coli-Stämmen, die über eine ganz besondere Fähigkeit verfügen – die Konjugation. Das heißt, der Stamm kann mit dem sogenannten F-Pilus genetisches Material mit anderen Bakterien austauschen. Dem bis zu 4 Mikrometer langen haarähnlichen Anhängsel kommt dabei die Aufgabe zu, das Empfänger-Bakterium einzufangen. Anschließend löst es sich wieder auf und es bildet sich eine direkte Verbindung, die Konjugations- oder Plasmabrücke, zwischen beiden Bakterien. Über diese Brücke gelangt genetisches Material von Spender- zu Empfänger-Bakterium. Das F in F-Pilus steht übrigens für „Fertility“, also Fruchtbarkeit.

Von F-Pilus und Plasmabrücke wussten Lederberg und Tatum damals natürlich noch nichts. Sie wollten überprüfen, ob auch Bakterien, ähnlich wie Säugetiere und Pflanzen, über einen, wie sie vermuteten, sexuellen Prozess Gene austauschen, also Merkmale vererben können. Dabei kamen Tatums verschiedene Nährstoff-Mutanten ins Spiel. In einem Kulturgefäß mischte Lederberg eine Mutante, die die Aminosäuren Threonin und Leucin sowie das Vitamin Thiamin nicht selbst produzieren kann, mit einer Mutante, die auf das Vitamin Biotin und die beiden Aminosäuren Phenylalanin und Cystein im Nährmedium angewiesen ist. Dieses Gemisch inkubierte er in einem Medium, dem all diese Nährstoffe fehlten. Somit konnten die Mutanten dort eigentlich nicht überleben.

Von einer Milliarde Zellen, die Lederberg in das Medium gab, überlebten ganze 100. Diese mussten genetische Informationen ausgetauscht haben. Die Bakterien hatten ihre Mutation also durch Übertragung der korrekten Genabschnitte wieder „repariert“.

Der Beweis war erbracht und machte Tatum und Lederberg einige Jahre später zu stolzen Nobelpreisträgern. Sie hatten erstmalig die genetische Rekombination bei Bakterien in E. coli nachgewiesen (J Bacteriol, 53(6):673–84). Allerdings hat der Vorgang nichts mit Sex im eigentlichen Sinn zu tun (man spricht bei Bakterien daher von Parasexualität), denn es gibt keine speziellen Geschlechtszellen und es wird kein neuer Organismus gebildet. Das Empfänger-Bakterium ordnet „nur“ sein eigenes Genom neu, es rekombiniert.

Tatum und Lederbergs Pionierforschung mit Escherichia coli inspirierte weitere Grundlagenforscher, mit dem Bakterium zu arbeiten. Ein amerikanischer Forscher nutzt das Bakterium beispielsweise in einem Langzeit-Experiment dazu, mehr über die Evolution zu erfahren. Seit 1988 hält Richard Lenski Generationen von E.-coli-Kulturen am Leben und durchsucht regelmäßig ihr Genom, um Veränderungen aufzuspüren.

Als ein wichtiger Meilenstein in der E.-coli-Forschung gilt auch die vollständige Decodierung seines Genom-Alphabets (Science, 277(5331):1453–62). Ganze sechs Jahre hat ein US-amerikanisches Forschungsteam in den 1990er-Jahren dafür gebraucht (heutzutage geht das Sequenzieren viel schneller, einfacher und billiger).

Fast eine halbe Million Veröffentlichungen listet die Publikationsdatenbank PubMed aktuell unter den Suchbegriffen „E. coli“ oder „Escherichia coli“. Kurz gesagt, das Darm-Bakterium gehört zu den am besten untersuchten Organismen überhaupt.

E. coli goes Biotech

Den größten Boost für E. colis Popularität und den Startschuss für die moderne Biotechnologie hat es in den 1970er-Jahren gegeben. Den US-amerikanischen Forschern Stanley Cohen, Herbert Boyer und Kollegen war es damals gelungen, sogenannte Plasmide im Reagenzglas herzustellen (PNAS, 70(11):3240–4). Plasmide sind meist ringförmige DNA-Moleküle, die zusätzlich zum größeren, aber ebenfalls oft ringförmigen Haupt-DNA-Molekül, dem Bakterienchromosom, in Bakterien vorkommen. Es gibt sie in mehreren Kopien pro Zelle; sie enthalten nur ein geringe Zahl an Genen, die nicht unbedingt für das Überleben des Organismus wichtig sind, sondern dafür, ihm einen Vorteil zu verschaffen. Plasmide können darüber hinaus unabhängig vom Bakterienchromosom replizieren. Sie nach Wunsch herstellen zu können, war eine große Errungenschaft. Die Forscher gingen aber noch einen Schritt weiter.

Zunächst bauten sie Frosch-DNA-Fragmente, also fremde DNA-Stücke, in die E.-coli-Plasmide ein und schleusten diese, als Krönung, anschließend in die Bakterienzelle. Das Bakterium nahm die Fremd-DNA wie eigenes Erbgut an und replizierte die hybriden Plasmide (PNAS, 71(5):1743–7). Damit war der Grundstein gelegt für die moderne Biotechnologie und Molekularbiologie. Denn über die Plasmide konnte nun jegliche Erbgut-Information in E. coli eingebracht werden. Das Bakterium nahm diese bereitwillig auf, las sie ab und spuckte am Ende ein komplettes Protein aus. Heutzutage ist das eine Routine-Prozedur in jedem Molekularbiologie-Labor.

Damit hatte E. coli (und die US-amerikanischen Forscher) sowohl die Grundlagenforschung revolutioniert als auch die Medizin, denn bis zu Boyer und Co.‘s genialer Entwicklung brauchten beispielsweise Pharma-Hersteller Millionen Kühe und Schweine, um aus deren Bauchspeicheldrüsen das Hormon zu isolieren, auf das Diabetiker angewiesen sind. Ende der 1970er-Jahre nahmen Boyer und Kollegen E. coli in die Pflicht und tatsächlich gelang es ihnen, humanes Insulin von den Bakterien produzieren zu lassen (PNAS, 76(1):106–10). 1983 kam das bakteriell hergestellte Insulin unter dem Namen Humulin auf den Markt. Es wird bis heute verkauft.

Dieser Artikel basiert auf einem Text, der am 31.03.2022 auf Laborjournal Online erschienen ist.

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