Eleftheria terrae

„Eleftheria terrae“ ist eine 2015 entdeckte Spezies (Art) gramnegativer Betaproteobakterien in der Ordnung Burkholderiales.[1][2] E. terrae produziert ein zuvor unbekanntes Antibiotikum namens Teixobactin. Die Entdeckung von dieser Species könnte ein neues Zeitalter der Antibiotika einläuten, da Teixobactin das erste neue Antibiotikum ist, das seit den 1980er Jahren entdeckt wurde.[3] Frühere Forschungen haben gezeigt, dass auch andere nicht kultivierbare Bakterien genauso wie E. terrae ein Potenzial für die Entwicklung neuer antimikrobieller Wirkstoffe haben.[1]

„Eleftheria terrae“
Systematik
Abteilung: Proteobacteria
Klasse: Betaproteobacteria
Ordnung: Burkholderiales
ohne Rang: „Aquabakterien“
Gattung: „Eleftheria“
Art: „Eleftheria terrae“
Wissenschaftlicher Name
„Eleftheria terrae“
Ling et al., 2015

Mit Stand 27. November 2023 liegt noch keine gültige Veröffentlichung der Spezies oder ihrer Gattung vor.[2]

Entdeckung

Im Jahr 2015 waren schätzungsweise 99 % der Bakterienarten mit herkömmlichen Methoden nicht kultivierbar.[4] Sie gehören daher zu der von den Wissenschaftlern so genannten „mikrobiellen dunklen Materie“, die nur mit neuen wissenschaftlichen Methoden kultiviert werden können.[1]

Eine solche Bakterienart ist Eleftheria terrae. Ein Team von Novobiotic Pharmaceuticals[5] unter der Leitung von Losee L. Ling entdeckte E. terrae im Herbst 2014 auf einem Feld in Maine und isolierte die Spezies (Referenzstamm ISO18629) mit Hilfe einer Technik, die an der Northeastern University entwickelt wurde und als iChip oder isolation chip bezeichnet wird.[6][7][8]

Der iChip ist ein kleiner Plastikblock, der von knapp 200 Löchern durchzogen ist. Die Löcher werden mit einem Nährmedium gefüllt, das dann mit der Bodenprobe geimpft wird, aber so verdünnt, dass sich in jedem Loch nur ein Bakterium befindet. Nach dem Einbringen der Bakterien in die Löcher wird der iChip auf beiden Seiten mit einer halbdurchlässigen (semipermeablen) Membran abgedeckt und in eine Kiste mit der ursprünglichen Erde gelegt. Die Membranen lassen Nährstoffe und Wachstumsfaktoren aus dem Boden eindringen. Auf diese Weise ist das Wachstum jeweils nur einer Spezies möglich.[4] Ling et al. untersuchten so etwa 10.000 iChip-Wachstumsisolate auf mögliche antimikrobielle Aktivität. Auf diese Weise stießen sie auf einen vielversprechenden Kandidaten, der später E. terrae genannt wurde (Referenzstamm P9846-PB).[1][9] Diese Technologie hat das Potenzial, noch mehr Antibiotika zu entdecken, da sie es Laboren ermöglicht, bisher „unkultivierbare“ Mikroorganismen zu züchten.[10]

Die Unterart E. terrae subspecies carolina (Referenzstamm/Wildtyp P9846) wurde, wie von Rhythm Shukla et al. 2023 berichtet, aus einer Bodenprobe im US-Bundesstaat North Carolina ebenfalls mit Hilfe von iChip isoliert.[11][12]

Beschreibung

E. terrae ist eine Spezies gramnegativer Bakterien, sie mehrere zur Zeit ihrer Entdeckung neue Antibiotika produzieren, darunter Teixobactin und - im Fall der Unterart E. t. ssp. carolina auch Clovibactin (alias Novo29[13]). Diese Bakterien wachsen und entfalten ihre antibakterielle Aktivität unter vielen verschiedenen Wachstumsbedingungen, optimal in einer sog. R4-Fermentationsbrühe. Diese R4-Fermentationsbrühe besteht aus 10 g Glukose, 1 g Hefeextrakt, 0,1 g Casaminosäuren,[A. 1] 3 g Prolin, 10 g MgCl2-6H2O, 4 g CaCl2-2H2O, 0,2 g K2SO4 und 5,6 g TES-Puffer[17] pro Liter deionisiertem Wasser[A. 2] bei einem pH-Wert von 7.[1]

Der Stoffwechsel und die Ökologie von E. terrae sind derzeit (Stand 2015) noch nicht umfassend dokumentiert.

Phylogenie

E. terrae gehört zur Klasse der Betaproteobakterien.[1] Nach der Sequenzierung des Genoms dieses Organismus wurde anhand der Sequenz des 16S-rRNA-Gens und der DNA-DNA-Hybridisierung durch Computeranalyse festgestellt, dass E. terrae zu einer bisher unbekannten Gattung gehört, die in ihrer genetischen Zusammensetzung der Gattung Aquabacterium[A. 3] nahe steht.[1] Bis zur Entdeckung von E. terrae war nicht bekannt, dass Organismen dem Umfeld der Gattung Aquabacterium (informell „Aquabakterien“, engl. "Aquabacteria"[A. 4]) Antibiotika produzieren.[1]

Genom

Losee L. Ling und ihr Team sequenzierten 2015 das Genom von E. terrae und schätzten seine Länge auf 6,6 Mbp (Megabasenpaare). Nachdem der Genomentwurf zusammengesetzt war, wurde er auf Sequenzen untersucht, die eng mit den damals bekannten Adenylierung-Domänen verwandt sind. Contigs, die für Teixobactin-Biosynthesewege kodieren, wurden manuell bearbeitet und in eine Reihenfolge gebracht. Dies ermöglichte die Kombination anderer Contigs, die separat assembliert worden waren. Lücken, die im Genom verblieben, wurden mit Brückenfragmenten gefüllt, die durch PCR und Sanger-Sequenzierung entwickelt worden waren. Die Lücken wurden mit denselben Primern geschlossen, die bei der Amplifikation verwendet wurden.[1]

Antibiotikaproduktion

Teixobactin

Die Produktion von Teixobactin durch E. terrae ist deshalb interessant, weil Tests gezeigt haben, dass Teixobactin anders bindet als die meisten normalerweise verwendeten Antibiotika. Dies erschwert es den angegriffenen (pathogenen) Bakterien, eine Resistenz zu entwickeln. Experimente von Ling et al. zeigten, dass Teixobactin in der Lage ist, an Lipidvorläufer von Peptidoglycan (alias Murein) zu binden, das einen Teil der bakteriellen Zellwände bildet. Die Ergebnisse zeigten bei den untersuchten bakteriellen Organismen keine Resistenz gegen Teixobactin, einschließlich Staphylococcus aureus und des Tuberkulose-Erregers Mycobacterium tuberculosis. Das deutet darauf hin, dass das Ziel von Teixobactin kein Protein ist und führt zu der Annahme, dass die Entwicklung einer bakteriellen Resistenz gegen Teixobactin sehr viel weniger wahrscheinlich ist. Diese Experimente zeigten auch, dass Teixobactin einem ähnlichen Wirkmechanismus folgt wie das Antibiotikum Vancomycin, das an das Lipid-II-Molekül in den Peptidoglykan-Vorstufen bindet. Im Gegensatz zu Vancomycin ist Teixobactin in der Lage, auch an modifizierte Lipid-II-Moleküle zu binden, die in Vancomycin-resistenten Bakterien vorkommen. Nach Lings Tests ist Teixobactin in der Lage, die Peptidoglykan-Synthese zu hemmen, indem es entweder an Lipid I, Lipid II oder Undecaprenyl-Pyrophosphat[21] bindet. Teixobactin scheint auch spezifisch an der Peptidoglykan-Vorstufe beteiligt zu sein. Teixobactin scheint auch spezifisch auf Peptidoglycan-Vorläufer einzuwirken, anstatt Enzymaktivität zu blockieren.[1]

Clovibactin

Clovibactin (alias Novo29[13]) hat offenbar ebenfalls einen ungewöhnlichen Tötungsmechanismus; es zielt gleich auf drei verschiedene Vorläufermoleküle des Peptidoglykans ab. Es umschließt dabei Pyrophosphatgruppen wie ein Käfig – von dieser Eigenschaft ist auch der Name entlehnt, denn altgriechisch κλουβί klouvi bedeutet ‚Käfig‘. Auch Clovibactin bindet nur an das den Zellwandvorläufern gemeinsame unveränderliche Pyrophosphat, ignoriert aber den variablen Zucker-Peptid-Teil der Ziele. Nach der Bindung der Zielmoleküle setzt sich Clovibactin zu großen und sehr stabilen Fibrillen auf der Oberfläche der Bakterienmembranen auf. Diese Fibrillen sorgen dafür, dass die Zielmoleküle so lange eingeschlossen bleiben, wie es für die Abtötung der Bakterien nötig ist. Außerdem werden die Zielbakterien nach Kontakt mit Clovibactin dazu angeregt Autolysine freizusetzen, die dann unkontrolliert die eigene Zellwand auflösen.[11] Clovibactin wirkt auf diese Weise gegen ein breites Spektrum von bakteriellen Pathogene, darunter ebenfalls Staphylococcus aureus (getestet an Mäusen) wie etwa die gefürchteten MRSA, sowie gegen Tuberkulose-Erreger. Da Clovibactin an hochkonservierten Teilen der Moleküle angreift, glaubt man, dass die Krankheitserregen nur schwer Resistenzen bilden können. Clovibactin schädigt dabei selektiv Bakterienzellen, ist aber nicht toxisch für menschliche Zellen.[11]

Etymologie

Der Gattungsname Eleftheria ist die neulateinische Form des (alt-)griechischen weiblichen Vornamens Ελευθερία ‚die Freie‘, bzw. ‚Freiheit‘ (der weiblichen Form zu Eleftherios).[22][23][2]

Das Art-Epitheton terrae ist der Genitiv von lateinisch terra ‚Erde‘, bedeutet also soviel wie ‚von/aus der Erde‘.[2]

Der Unterartzusatz carolina verweist auf den Fundort North Carolina, USA.[11]

Anmerkungen
  1. Casaminosäure ist eine Mischung von Aminosäuren, die durch saure Hydrolyse von Casein entstehen.[14][15][16]
  2. Deionisiertes Wasser (DI-Wasser, DIW oder de-ionisiertes Wasser), oft synonym mit demineralisiertem Wasser (DM-Wasser), ist Wasser, dem fast alle Mineralionen entzogen wurden.
  3. Die Gattung Aquabacterium Kalmbach et al. 1999 (Betaproteobacteria)[18] ist nicht zu verwechseln mit der Gattung Aquabacter Irgens et al. 1993 (Alphaproteobacteria: Xanthobacteraceae).[19]
  4. Die GTDB führt die Gattung Aquabacterium (nebst einigen Abspaltungen) stattdessen in einer Familie Burkholderiaceae_B; die Gattung Eleftheria selbst ist in der GTDB derzeit nicht vertreten (Stand 3. Januar 2024). Ein Vergleich dieser GTDB-Familie mit dem phylogenetischen Baum bei Ling et al. (2015), Extended Data Fig. 2, legt aber nahe, dass „Aquabakterien“ bzw. "Aquabacteria" und Burkholderiaceae_B dieselbe Klade bezeichnen.[20] Andererseits stimmen Burkholderiaceae_B (nach GTDB) und Comamonadaceae (nach LPSN) vom Umfang her weitestgehend überein (und enthalten insbesondere die Gattung Aquabacterium), scheinen also ebenfalls synonym zu sein.

Einzelnachweise
  1. Losee Lucy Ling, Tanja Schneider, Aaron J. Peoples, Amy L. Spoering, Ina Engels, Brian P. Conlon, Anna Mueller, Till F. Schäberle, Dallas E. Hughes, Slava Epstein, Michael Jones, Linos Lazarides, Victoria A. Steadman, Douglas R. Cohen, Cintia R. Felix, K. Ashley Fetterman, William P. Millett, Anthony G. Nitti, Ashley M. Zullo, Chao Chen, Kim Lewis: A new antibiotic kills pathogens without detectable resistance. In: Nature. 517. Jahrgang, Nr. 7535, 7. Januar 2015, S. 455–459, doi:10.1038/nature14098, PMID 25561178, PMC 7414797 (freier Volltext), bibcode:2015Natur.517..455L (englisch). Dazu:
  2. LPSN: Species "Eleftheria terrae" Ling et al. 2015.
  3. Gerard Wright: Antibiotics: An irresistible newcomer. In: Nature. 517. Jahrgang, Nr. 7535, 7. Januar 2015, S. 442–444, doi:10.1038/nature14193, PMID 25561172, bibcode:2015Natur.517..442W (englisch).
  4. Dominica Nichols, Nelson C. Cahoon, Emil M. Trakhtenberg, Ly Pham, A. Mehta, A. Bélanger, Tanya Kanigan, Kim Lewis, Slava S. Epstein: Use of Ichip for High-Throughput In Situ Cultivation of "Uncultivable" Microbial Species. In: Applied and Environmental Microbiology, Band 76, Nr. 8, 19. Februar 2010, S. 2445–2450, bibcode:2010ApEnM..76.2445N; doi:10.1128/AEM.01754-09, PMID 20173072, PMC 2849220 (freier Volltext), ResearchGate (englisch).
  5. NovoBiotic Pharmaceuticals, LLC (Homepage).
  6. Kelly Servick: Microbe found in grassy field contains powerful antibiotic. In: Science. 7. Januar 2015, doi:10.1126/science.aaa6305 (englisch).
  7. Ferris Jabr; Christopher Leaman (Fotos): The Age of Infection. Meet the iChip, a plastic block that helped scientists discover a new antibiotic that kills superbugs. Will it be enough to save humankind from the coming bacterial apocalypse? Auf: Foreign Policy (foreignpolicy.com) vom 30. September 2015.
  8. Brooke Borel: iChip: The Future of Antibiotic Discovery. Auf: Popular Science (popsci.com) vom 20. Januar 2015.
  9. NCBI Taxonomy Browser: "Eleftheria terrae" Ling et al. 2015 (species). Nucleotide: txid1597781[Organism:noexp] – Eleftheria terrae, Referenzstamm: Eleftheria terrae teixobactin gene cluster, complete sequence – strain ISO18629, Zugriffsnr. KP006601.
  10. Heidi Ledford: Promising antibiotic discovered in microbial 'dark matter'. In: Nature. 7. Januar 2015, doi:10.1038/nature.2015.16675 (englisch).
  11. Rhythm Shukla, Aaron J. Peoples, Kevin Christopher Ludwig, Sourav Maity, Maik G. N. Derks, Stefania De Benedetti, Annika M. Krueger, Bram J. A. Vermeulen, Theresa Harbig, Francesca Lavore, Raj Kumar, Rodrigo V. Honorato, Fabian Grein, Kay Nieselt, Yangping Liu, Alexandre M. J. J. Bonvin, Marc Baldus, Ulrich Kubitscheck, Eefjan Breukink, Catherine Achorn, Anthony Nitti, Christopher J. Schwalen, Amy L. Spoering, Losee Lucy Ling, Dallas Hughes, Moreno Lelli, Wouter H. Roos, Kim Lewis, Tanja Schneider, Markus Weingarth: An antibiotic from an uncultured bacterium binds to an immutable target. In: Cell, 22. August 2023; doi:10.1016/j.cell.2023.07.038, ResearchGate (englisch). Dazu:
  12. NCBI Nucleitide: txid1597781[Organism:noexp] AND P9846.
  13. Maj Krumberger, Xingyue Li, Adam G. Kreutzer, Aaron J. Peoples, Anthony G. Nitti, Andrew M. Cunningham, Chelsea R. Jones, Catherine Achorn, Losee L. Ling, Dallas E. Hughes, James S. Nowick: Synthesis and Stereochemical Determination of the Peptide Antibiotic Novo29. In: Journal of Organic Chemistry, Band 88, Nr. 4, 17. Februar 2023, S. 2214–2220; doi:10.1021/acs.joc.2c02648, PMID 36655882, PMC 9942206 (freier Volltext), ePub 19. Januar 2023.
  14. <ref> S. W. Klemann, J. Z. Li, K. Imakawa, J. C. Cross, H. Francis, R. M. Roberts: The Production, Purification, and Bioactivity of Recombinant Bovine Trophoblast Protein-1 (Bovine Trophoblast Interferon). In: Molecular Endocrinology. 4. Jahrgang, Nr. 10, Oktober 1990, ISSN 0888-8809, S. 1506–1514, doi:10.1210/mend-4-10-1506, PMID 2178217 (englisch).
  15. Lakshmeesha K. Nagappa, Wakana Sato, Farzana Alam, Kameshwari Chengan, Christopher M. Smales, Tobias Von Der Haar, Karen M. Polizzi, Katarzyna P. Adamala, Simon J. Moore: A Ubiquitous Amino Acid Source for Prokaryotic and Eukaryotic Cell-Free Transcription-Translation Systems. In: Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 10. Jahrgang, 2022, ISSN 2296-4185, S. 992708, doi:10.3389/fbioe.2022.992708, PMID 36185432, PMC 9524191 (freier Volltext) – (englisch).
  16. Toby Samuels, David Pybus, Charles S. Cockell: Casamino Acids Slow Motility and Stimulate Surface Growth in an Extreme Oligotroph. In: Environmental Microbiology Reports. 12. Jahrgang, Nr. 1, 25. November 2019, ISSN 1758-2229, S. 63–69, doi:10.1111/1758-2229.12812, PMID 31769203 (englisch).
  17. R. Goldberg, N. Kishore, R. Lennen: Thermodynamic Quantities for the Ionization Reactions of Buffers. In: J. Phys. Chem. Ref. Data. 31. Jahrgang, Nr. 2, 2002, S. 231–370, doi:10.1063/1.1416902 (englisch).
  18. LPSN: Genus Aquabacterium Kalmbach et al. 1999.
  19. LPSN: Genus Aquabacter Irgens et al. 1993.
  20. GTDB: Burkholderiaceae_B (fam.).
  21. ditrans,polycis-undecaprenyl diphosphate. Auf: ChEBI.
  22. Mike Campbell: Meaning, origin and history of the name Eleftheria. Abgerufen am 9. April 2019.
  23. Eleftheria. Auf: baby-vornamen.de
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