Mikrobiologie: Maßgeschneiderte Bakterien spüren Pestizide auf

Forscher haben sich in das Navigationssystem des Bakteriums Escherichia coli gehackt und es dazu gebracht, ein weitverbreitetes Pestizid - Atrazin - aufzuspüren. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, die Umwelt mithilfe biologischer Tricks zu reinigen.

Escherichia coli besitzt auf seiner Zelloberfläche Rezeptorproteine, mit denen es infrage kommende Chemikalien identifizieren kann, wodurch es in der Lage ist, die Chemikalie anhand ihres Konzentrationsgradienten zur Quelle zurückzuverfolgen. Die dazu notwendige Information wird in der Zelle weitervermittelt und schließlich rotiert das Flagellum, der schwanzartige Fortsatz, so dass es sich entweder gezielt fortbewegt oder zufällig umher schwimmt.

Diese Kette der Ereignisse kann jedoch unterbrochen werden, indem man die RNA des Bakteriums zurechtschneidert. Dazu nutzten die Wissenschaftler einen E. coli-Stamm, dem das Gen für die Fortbewegung fehlt. Unter Nutzung dieser modifizierten Zellen schufen sie ein RNA-Segment - Riboswitch genannt -, das das Gen enthielt. Bei Vorliegen von Atrazin wurde der Riboswitch angeschaltet, wodurch das Bakterium in der Lage war, auf größere Konzentrationen der Chemikalie zu zu schwimmen (1).

"Das Coole dabei ist, dass wir die Zellen dazu bringen können auf Dinge zu reagieren, die ihnen sonst egal sind", sagt Justin Gallivan von der Emory University in Atlanta, Georgia, der die letzten Ergebnisse am 6. April auf einem Meeting der American Chemical Society in New Orleans, Louisiana, berichtete.

Lockvogeltaktik

Einige Bakterien können Atrazin metabolisieren, wobei weitere Chemikalien als Abfallprodukte entstehen. Die zehn Teammitglieder schufen einen Riboswitch, der zwar Atrazin erkennt, nicht jedoch die Nebenprodukte. Durch das Einbauen von Genen Atrazin metabolisierender Bakterien sollte es relativ einfach gelingen, ein Bakterium zu schaffen, das Pestizide aufsuchen und zerstören kann, meint Gallivan.

Es gibt jedoch auch Grenzen. Oberflächenrezeptoren der Bakterien können sehr geringe Konzentrationsunterschiede von Chemikalien in ihrer Umgebung erkennen. Da die Chemikalie jedoch in die Zelle eindringen muss, um vom Riboswitch aufgenommen zu werden, ist das Bakterium weniger sensitiv gegenüber geringen Konzentrationsunterschieden als es der Fälle wäre, wären die Oberflächenrezeptoren sensitiv gegenüber der Chemikalie.

Mehr noch, Riboswitche zu nutzen, um die Bewegung zu kontrollieren, funktioniert in einem Gel in der Petrischale hervorragend, ist jedoch zu langsam, um in einer flüssigen Umgebung zu funktionieren. "E. coli schwimmt schnell, daher muss es schnell reagieren können", sagt Mark Goulian, Biophysiker an der University of Pennsylvania in Philadelphia.

Einfache Auswahl

Dennoch könnte der größte Nutzen der Riboswitches darin liegen, dass sie für die Forscher rasch zu identifizieren sind. Im Gegensatz dazu ist das Reengineering existierender Rezeptoren, so dass sie sensitiv gegenüber verschiedenen Molekülen werden, zeitintensiv und hängt von schwer vorhersagbaren molekularen Faktoren ab, erklärt Gallivan.

Die Zahl möglicher Riboswitch-Sequenzen ist hingegen klein und Gallivans Team kann sie während eines einzigen Experiments durchsehen. Gibt es ein zur Fragestellung passendes Riboswitch, "wird man es sicher finden", so Gallivan.

Die beste Auswahlmethode besteht darin, das Coli-Bakterium zu suchen, das sich am meisten bewegt.

Bakterien zum Bewegungen oder Stoppen zu veranlassen, könnte nicht die einzige Nutzungsmöglichkeit der Riboswitches sein. Gallivan sagt, er hoffe zahlreiche Riboswitches nutzen zu können, um Gene in einer bestimmten Reihenfolge zu triggern. Das würde E. coli in die Lage versetzen, einer Sequenz bestimmter Tasks zu folgen.

(1) Topp, S. and Gallivan, J.P. J. Am. Chem. Soc. 129, 6807-6811 (2007).

Dieser Artikel wurde erstmals am 9.4.2008 bei news@nature.com veröffentlicht. doi: 10.1038/news.2008.742. Übersetzung: Sonja Hinte. © 2007, Macmillan Publishers Ltd

Rachel Courtland