Immunität bei Insekten: Gewappnete Winzlinge

Nur zwei Millimeter groß und zwei Monate alt wird eine Fruchtfliege. Trotz ihres kurzen Daseins besitzt sie Immunzellen, die schädliche Keime fressen können – ähnlich den menschlichen Makrophagen. Die Fliege ist zudem mit antimikrobiellen Proteinen ausgestattet und hält sich ein kleines Mikrobiom von mehreren Tausend Bakterien im Darm.

Warum leistet sich die Natur solch komplexe Abwehrstrategien auch für Lebewesen, die sehr kurzlebig sind? „Ein Insekt muss seine Larvenstadien überstehen, geschlechtsreif werden und sich fortpflanzen“, erläutert Biologie-Professor Jens Rolff von der Freien Universität Berlin. 

„Viele Bakterien haben jedoch Generationszeiten von nur 20 Minuten. Ihr Lebenszyklus ist also deutlich kürzer. Da lohnt sich ein Immunsystem auf jeden Fall!“

Wie reagiert das Immunsystem eines Insekts auf den Befall mit schädlichen Keimen, sogenannten Pathogenen? Wie interagieren Darmflora und Wirt? 

Und wie wirkt sich dieses Wechselspiel auf die Evolution und mögliche Entwicklung von Resistenzen bei Pathogenen aus? Darüber weiß man erst wenig.

Entwicklung von Resistenzen bei Pathogenen

Sieben Arbeitsgruppen, deren Sprecher Jens Rolff ist, gehen diesen Fragen nun konzertiert nach. Und zwar am Beispiel von Fruchtfliege, Honigbiene, Bienenwolf, Wachsmotte, Mehlkäfer und Schabe. 

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert das Projekt „Insektenimmunität, Mikrobiota und Pathogene in einem integrierten Ansatz“ für insgesamt acht Jahre mit rund 3,7 Millionen Euro. Neben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Freien Universität sind unter anderem Kollegen der Eidgenössischen Hochschule Zürich (ETH), der Universität Mainz und des Länderinstituts für Bienenkunde Hohen Neuendorf beteiligt.

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Für Jens Rolffs Team steht die parasitäre Wachsmotte Galleria im Fokus. Sie befällt Bienenstöcke und legt ihre Eier in den Waben ab. „Wie die meisten Insekten verpuppen sich Wachsmotten und lösen dabei fast all ihre Organe komplett auf, um sie dann neu aufzubauen. 

Dabei häutet sich auch ihr Darm – der voller Mikroben ist.“ Wenn ein Mensch einen Darmdurchbruch hat, ist das ein Notfall: Ein septischer Schock droht, weil die Darmbakterien in die Blutbahn gelangen. 

Pathogene der Wachsmotte sind gutes Modell

Der Wachsmotte Galleria schadet das hingegen nicht. Sie produziert eine Vielzahl antimikrobieller Substanzen, die in winzigen „Kanistern“ um den Darm herum gelagert sind. „Häutet sich der Darm, wird alles gleichzeitig ausgeschüttet. Wir konnten zeigen, dass dann die Zahl der Darmbakterien um den Faktor 100 sinkt.“

Die gleichen Substanzen setzt das Immunsystem der Motte übrigens ein, um schädliche Keime zu bekämpfen. „Wir fragen uns: Wenn das regelmäßig passiert, entwickeln sich dann – ähnlich wie bei häufigem Antibiotikaeinsatz in Krankenhäusern – auch resistente Keime im Insekt?“, sagt Jens Rolff. 

Galleria ist für die Wissenschaft auch noch aus einem anderen Grund interessant, denn im Bienenstock hat sie es wohlig warm. „Weil die Pathogene der Wachsmotte dort fast bei menschlicher Körpertemperatur wachsen, ist der graue Schmetterling ein gutes Infektionsmodell für die Biomedizin.“

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Pilze, die Antibiotika produzieren

An der Honigbiene wiederum sollen die Bazillen untersucht werden, die eine Faulbrut hervorrufen, wodurch die Bienenlarven absterben. Die Erreger können sich nur einnisten, wenn die jungen Bienenlarven noch kein Mikrobiom besitzen. Das Zeitfenster für den Befall ist also extrem klein.

Bemerkenswert wird es beim Bienenwolf, einer Wespenart, die Honigbienen verspeist. In den Furchen seiner feinen Antennen züchtet er Pilze, die Antibiotika produzieren. Und zwar bis zu 45 verschiedene Substanzen! In Mainz will man untersuchen, wie sich dieser Cocktail auf das Mikrobiom und die Pathogene des Bienenwolfs auswirkt.

Die Fruchtfliege Drosophila melanogaster ist seit mehr als 100 Jahren ein wichtiges Modelltier der Biologie. Gänzlich unbekannt ist jedoch, welche Mikroben normalerweise auf und in ihrem Körper hausen, wenn sie in „freier Wildbahn“ lebt – also im Dunstkreis eines Apfelbaumes oder Obstkorbes. 

Denn wird Drosophila für Forschungszwecke gezüchtet, ist ihr Mikrobiom geprägt von Futter und Laborumgebung. Außerdem interessiert die Forscherinnen und Forscher, was passiert, wenn die Fliege sich verletzt. 

Wunden entstehen nicht selten bei der Paarung oder weil das Tier ein Bein verliert – etwa wenn es sich aus einem klebrigen Spinnennetz befreien muss.

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Ähnlich wie das menschliche Blut initiiert auch die Hämolymphe, das klare Insektenblut, einen Wundverschluss. Wunden sind jedoch immer potenzielle Pforten für Keime, die auf der Körperoberfläche sitzen. 

Untersucht wird zudem, wie oft sich Fruchtfliegen verletzen und welche Keime dadurch in sie eindringen. „Bisher wurde unterschätzt, welchen Einfluss Verwundungen darauf hatten, dass sich das Immunsystem der Fliege so entwickelt hat, wie wir es heute kennen“, betont Jens Rolff.

Über eine Million Insektenarten sind bisher wissenschaftlich beschrieben worden. Das sind mehr als 60 Prozent aller bekannten Tierarten überhaupt. Kein Wunder, denn Insekten spielen eine tragende Rolle in den meisten Ökosystemen: beispielsweise als Nahrungsgrundlage für Vögel und kleine Säugetiere. 

Für den Menschen unersetzbar sind sie als Bestäuber in der Nahrungsmittelproduktion. Unter ihnen gibt es jedoch auch etliche Schädlinge, die sich über Nutzpflanzen hermachen – wie beispielsweise die Heuschrecken, die seit Jahresbeginn über weite Landstriche der Staaten Ostafrikas herfallen. 

Und manche, wie die Anopheles-Mücke, übertragen gefährliche Krankheiten auf Mensch oder Tier. „Alles wichtige Gründe, um Insekten zu verstehen“, betont Jens Rolff. 

Welche Erwartungen hat er an das DFG-Projekt? „Es gibt viele Theorien darüber, wann und warum Krankheitskeime virulent werden. Keine jedoch erfasst, wie das im Zusammenhang zwischen dem Immunsystem des Wirts und seinem Mikrobiom abläuft“, erklärt der Wissenschaftler.

Das angeborene Immunsystem wurde zunächst bei Insekten entdeckt

Neben klassischen biologischen und molekularbiologischen Methoden kommen auch Bioinformatik und theoretische Biologie zum Zug. 

Mathematische Modelle werden den Forscherinnen und Forschern helfen, das, was sie an einer Insektenart lernen, auch auf andere zu übertragen. Vielleicht sogar auf völlig andere Organismengruppen – etwa Wirbeltiere oder gar Säugetiere? 

So unwahrscheinlich ist das nicht: Das angeborene Immunsystem wurde in den siebziger Jahren zuerst bei Insekten entdeckt. In den achtziger Jahren isolierte man den sogenannten Toll-Rezeptor, der ganz entscheidend für die Erkennung von Krankheitskeimen durch die Immunabwehr ist. 

Erst danach fand man diesen Rezeptor auch bei Maus und Mensch. Der Homo sapiens verfügt auch über körpereigene antimikrobielle Proteine.

Potenzielle neue Antibiotika

Mehr als 20 der antimikrobiellen Proteine, die denen, die man bei Insekten fand, ähneln, sind derzeit in der Klinischen Entwicklung: als potenzielle neue Antibiotika. Die anfängliche Hoffnung, dass Pathogene keine Resistenzen gegen sie entwickeln können, hat sich nicht erfüllt. 

„Wir konnten zeigen, dass es sehr wohl zu Resistenzen kommt. Doch sie entwickeln sich sehr viel langsamer.“ Immerhin aber sind die Proteine sehr schnelle „Killer“.

Aufgrund ihrer positiven Ladung destabilisieren sie die negativ geladene Zellmembran des Pathogens: Sie heften sich an und fressen regelrecht Löcher hinein. Der „Feind“ läuft aus und wird innerhalb von wenigen Minuten abgetötet. Ein klassisches Antibiotikum benötigt dafür zwei Stunden.

Catarina Pietschmann