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Im Zusammenhang mit der steigenden Anzahl an antibiotikaresistenten Krankheitserregern und dem immer knapper werdenden Arsenal an neuen und wirksamen Antibiotika wird vergleichsweise wenig darüber berichtet, was Antibiotika eigentlich sind und wie Resistenzen funktionieren.
Antibiotika
Antibiotika - aus dem griechischen anti- „gegen“ und bios „Leben“ – sind ursprünglich natürliche Verteidigungsmechanismen von Bakterien und Pilzen. Es sind Moleküle, die von diesen produziert und ausgeschieden werden, um das Wachstum anderer Mikroorganismen zu hemmen oder sie zu töten. Es wird ausserdem angenommen, dass sie gewissen Bodenbakterien als Signalmoleküle für die Kommunikation mit Artgenossen dienen.
Dass sich Mikroorganismen gegenseitig hemmen, wusste bereits Louis Pasteur Ende des 19. Jahrhunderts. Die Idee, die dafür verantwortlichen Antibiotika für die Bekämpfung von bakteriellen Infektionen zu nutzen, hielt aber erst 1928 richtig Einzug in die Medizin. Damals gelang es Alexander Fleming, aus dem Schimmelpilz Penicillium notatum, der sich unter seinen Bakterienkulturen ausgebreitet und deren Wachstum verhindert hatte, das Antibiotikum Penicillin zu isolieren.
Weil sie auf Strukturen abzielen, die so in unseren eigenen Zellen nicht vorkommen, schaden Antibiotika den Bakterien, nicht aber uns selber. So blockieren sie beispielsweise die Integrität der bakteriellen Zellwand, indem sie sich in diese einlagern. Andere interagieren mit lebenswichtigen Stoffwechselwegen oder binden an die bakteriellen Ribosome. Ribosome sind massgeblich an der Synthese von Proteinen beteiligt; in gebundenem Zustand sind sie blockiert und das Wachstum stellt sich ein. Wird die Bakterienzelle durch das Antibiotikum getötet, wird dieses als bakterizid bezeichnet; hemmt es lediglich das Wachstum, gehört es zu den bakteriostatischen Antibiotika. Die Grenzen zwischen bakteriostatisch und bakterizid sind allerdings nicht eindeutig – so können grosse Mengen eines bakteriostatischen Antibiotikums durchaus bakterizid wirken.
Resistenz
Durch evolutionäre Anpassungen können sich Bakterien dem Wirkmechanismus eines Antibiotikums entziehen. Die hohen Wachstums- und Mutationsraten von Bakterien produzieren einen ständigen Pool an genetischer Variation; unter dem Selektionsdruck einer Antibiotikabehandlung überleben schliesslich diejenigen Bakterien, deren Änderungen im Erbgut eine solche Anpassung darstellen. Das kann beispielsweise eine leicht veränderte Bindungsstelle sein, die es dem Antibiotikum nicht mehr erlaubt, anzudocken und es somit nutzlos macht.
Weiter können auch sogenannte Efflux-Pumpen entstehen, die das Antibiotikum wieder aus der Bakterienzelle heraus befördern, bevor es Schaden anrichtet. Antibiotika per se produzieren also noch keine Resistenz, sie liefern lediglich die nötigen Bedingungen (den Selektionsdruck) für deren Entstehung und Durchsetzung.
Neben Mutationen in der eigenen DNA existiert noch eine weitere Möglichkeit, mit der Bakterien Resistenzen erlangen können. Im Prozess des „Horizontalen Gentransfers“ nehmen sie Stücke fremder DNA aus ihrer Umgebung, von Artgenossen oder durch die Infektion mit einem Virus auf. Diese DNA kann in das eigene Erbgut eingebaut werden – oft befinden sich darunter Resistenzgene.
Quellen und weitere Informationen:
Buch: Brock Microbiology, 13th edition
Verbreitung von Antibiotikaresistenzen im Wasser, factsheet 2015
WHO commentary, Superbugs: Why we need action now