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Krieg der Mikroben:Ökologie und Toxikologie
bakterieller Toxine
HabilitationsvortragDr. rer. nat. Björn Brembs
13.05.2009
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ÖKOSYSTEM
Wirkungsgefüge von Lebensgemeinschaft (Biozönose) und Lebensraum (Biotop)
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Ökosystem
• Offen, dynamisch, komplex• Trophische Ebenen
– Produzenten– Konsumenten– Destruenten
• Sukzession – Mosaikbildung• Konkurrenz, Predation, Mutualismus,
Kommensalismus
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Das Leben auf uns
• 1014 menschliche Zellen• 1015 Bakterien• 1017 Viren• Mikrobielles Metagenom evtl. grösser als
menschliches Genom• 98% Sequenzidentität zw. Mensch und
Schimpanse, jedoch nur 50% mikrobielle Speziesidentität
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Mims C et al. Medical Microbiology, 2004.
Mobiles Ökosystem Mensch
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Produzenten und Konsumenten
• Streptococcus gordonii vergärt Kohlenhydrate zu Milchsäure
• Veilonella atypica nutzt Milchsäure als Energielieferant
• V. atypica induziert Amylase-Aktivität in S. gordonii
Egland P. G. et.al. PNAS 2004;101:16917-16922©2004 by National Academy of Sciences
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Sukzession in der Mundflora
• Erste Welle (Gram+)Streptokokken binden Oberflächenproteine
• Zweite Welle (Gram-)Brückenspezies F. nuclearum bindet andere Bakterien
• Dritte Welle: Biofilm
Kolenbrander et al. 2002, Microbiol Mol Biol Rev 66:486
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KOOPERATION
Biofilme
http://www.socialfiction.org/img/biofilm.jpg
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Symbiosen: Blattläuse-Buchnera
• Buchnera aphidicola: Gram negative, intrazelluläre Bakterien in spezialisierten Bakteriozyten
• Stellt dem Wirt kritische Nährstoffe zur Verfügung• Seit mehr als 150 Mio Jahren vertikal übertagen (Mutter-Nachkommen)• Mit E. coli verwandt, Genom drastisch reduziert (600 von ~4000 urspr. Genen)
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Maternale Bakteriozyten mit Symbionten
Frühe Embryonen mit sichtbaren Symbionten
Späte Embryonen
J. Sandström
1 mm
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Blattlaus-Eier mitBuchnera der Mutter
A. Mira0.5 mm
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Konkurrenz
• Streptococcus sobrinus Rasen
• Streptococcus mutans Kolonien
• Mutazin I und IV
Photo: Dr. Jens Kreth
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Bakteriozine
• Von den meisten Bakterien produzierte Peptide• Meist nur für nah verwandte Arten bakteriostatisch oder bakterizid
wirkend• Ohne Resistenzmechanismen sind auch die produzierenden Zellen
betroffenStamm Bakteriozin Wirkspektrum Lokalisierung
Lactobacillusacidophilus
Lactacin F Lactobacillus spEnterococcus feacalis
Plasmid
Lactobacillussake
Sakacin PSakacin A
Lactobacillus spCarnobacterium spLactobacillus spEnterococcus spListeria monocytogenes
nicht bekanntPlasmid
Lactobacilluscurvatus
Curvacin A Lactobacillus spListeria monocytogenes
Plasmid
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Mechanismen
a) Porenbildung– Häufigster Mechanismus– Membran Depolarization– Elektrolyt-Verlust– Letztendlich Lyse
b) Zellwand-Degradation– Löst Peptidoglycane auf– Lyse
c) Nuklease Aktivität– Chromosomale DNA– 16S-RNA
Cursino et al. 2002. Brazilian Journal of Microbiology 33: 185-195
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INVASION
Offene Ökosysteme
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Staphylococcus aureus
Gram-positive, fakultativ anaerobe Kokken:• Kommensales Hautbakterium• Staphylokokken-Enterotoxine• Toxic shock syndrome Toxin (TSST)
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WASSER
Aufnahme beim Trinken
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Vibrio cholerae
Gram-negatives Stäbchen: Cholera Toxin
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NAHRUNG
Aufnahme durch Lebensmittel
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Clostridium botulinum
Anaerobes, Gram-positives, sporenformendes Stäbchen:Botulinumtoxin („Botox“)
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LUFT
Aufnahme durch Atmung
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Bacillus anthracis
Gram-positives, sporenformendes Stäbchen:Anthraxtoxin
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VEKTOREN
Aufnahme durch die Haut
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Yersinia pestis
Gram-negative Stäbchen• Bakteriozine• Immunsuppressiv• Yersinia outer proteins
(Yop)
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Bakterielle Pathogenitätsmechanismen
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Protein Toxin Klassifikation
• Typ I Toxine: Rezeptorbindend– Binden an die Zelloberfläche werden aber nicht in die Zelle
transloziert (SEB)
• Typ II Toxine: Porenformend– Formen Poren in der Zellmembran (Anthraxtoxin PA)
• Typ III Toxine: Intrazellulär wirkend– Rezeptor-gekoppelte Translokation in die Zelle und
Schädigung intrazellulärer Komponenten (Botulinumtoxin)
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Typ I Typ II Typ III
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Toxin Effekte
• Zell Lyse (Hämolysine, Leukozidine)• cAMP Anstieg (Cholera Toxin)• Blockade der Proteinsynthese (Diphtherie
Toxin)• Hemmung der synaptischen
Erregungsübertragung (Botulinum-, Tetanus Toxin)
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Maus LD50 ausgewählter Toxine
toxin source LD50 [µg/kg]Clostridium botulinum toxin bacteria 0.001Shigatoxin bacteria 0.002Abrin plant 0.04Clostridium perfringens toxin bacteria 0.1-5Ricin plant 3α-Conotoxin snail 5Saxitoxin algae 10Staphylococcus enterotoxin bacteria 27VX nerve agent 15Sarin nerve agent 100Cyanide (KCN) chemical 2860
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Typ III: A-B Toxine
aktiv bindend
A
Intrazellulär
B
Extrazellulär
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Typ III: A-B Toxine
• A: Enzymatische Untereinheit
• B: Zellbindende Untereinheit
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Typ III: A-B Toxine
![Page 34: Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062312/5549ef15b4c90512488b521e/html5/thumbnails/34.jpg)
A-B Toxine
Toxin Organisation Aktivität
Diphterietoxin AB ADP Ribosylierung
Exotoxin A AB ADP Ribosylierung
Botulinumtoxin AB Zn++ Protease
Tetanustoxin AB Zn++ Protease
Choleratoxin AB5 ADP Ribosylierung
Shigatoxin AB5 Schneidet 28S rRNA
Anthraxtoxin LF A-B Zn++ Protease
Anthraxtoxin EF A-B Adenylat Zyklase
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BOTULINUMTOXIN
Clostridium botulinum
![Page 36: Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062312/5549ef15b4c90512488b521e/html5/thumbnails/36.jpg)
Botulismus damals
• ~900: Leo VI der Weise (Byzanz) verbot Blutwurst.
• 1793: Ausbruch durch Blutwurst in Wildbad.
• 1897: van Ermengem isoliert anaerobes Bakterium aus Schinken.
• Botulus: Wurst (lat.)
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Botulismus heute
• 110 Fälle jährlich• ~25% durch Nahrungsmittel• ~72% Säuglingsbotulismus• 3% Wundbotulismus
![Page 38: Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062312/5549ef15b4c90512488b521e/html5/thumbnails/38.jpg)
Botulinumtoxin
• AB Toxin• Sieben Serotypen A-G• A, B, E, & F sind toxisch für Menschen, C und D für Vögel und
Rinder, E für Vögel und Fische• Leichte Kette aktiviert intrazellulär nachdem Proteasen die
rezeptorbindende schwere Kette abgeschnitten haben.
Botulinumtoxin C1
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JAMA. 2001;285:1059-1070
Botulinumtoxin
![Page 40: Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062312/5549ef15b4c90512488b521e/html5/thumbnails/40.jpg)
JAMA. 2001;285:1059-1070
Botulinumtoxin
![Page 41: Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062312/5549ef15b4c90512488b521e/html5/thumbnails/41.jpg)
Vom Toxin zur Therapie
![Page 42: Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062312/5549ef15b4c90512488b521e/html5/thumbnails/42.jpg)
Vorher und nachher
Spasmen
![Page 43: Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062312/5549ef15b4c90512488b521e/html5/thumbnails/43.jpg)
Dystonia
![Page 44: Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062312/5549ef15b4c90512488b521e/html5/thumbnails/44.jpg)
Hyperhidrosis
![Page 45: Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062312/5549ef15b4c90512488b521e/html5/thumbnails/45.jpg)
CHOLERATOXIN
Vibrio cholerae
![Page 46: Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062312/5549ef15b4c90512488b521e/html5/thumbnails/46.jpg)
![Page 47: Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062312/5549ef15b4c90512488b521e/html5/thumbnails/47.jpg)
Choleratoxin
• Klassisches AB5 Toxin• B Untereinheiten
multimerisieren zu einem pentameren Ring
• Holotoxin bindet an membranständigen Rezeptor
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Choleratoxin
![Page 49: Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062312/5549ef15b4c90512488b521e/html5/thumbnails/49.jpg)
SEB
Staphylococcus aureus
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Hautinfektionen
![Page 51: Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062312/5549ef15b4c90512488b521e/html5/thumbnails/51.jpg)
SEB: Superantigen
• Globulär• Hitzebeständig• Säurebeständig
• T-Zell-Überaktivierung• massive Cytokin-
Freisetzung• Toxic shock syndrome
Superantigene verlinken T-Zellrezeptor mit MHC
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Toxic Shock Syndrome
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PATHOGENITÄT
Pathogen-Evolution als trophische Interaktion
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Bakterielle Fitness Faktoren
Microbiol Mol Biol Rev. 2004, 68(3): 560–602.
![Page 55: Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062312/5549ef15b4c90512488b521e/html5/thumbnails/55.jpg)
A B
A B
C
C
E. coli K12
E. coli O157:H7
Fremde DNA= Locus für Lyse der Enterocyten
Verantwortlich für die Pathogenität:Ermöglicht Adhäsion und Toxin Produktion
Harmloses Bakterium wird pathogen durch DNA Transfer von anderen Bakterienstämmen
Genetik der Pathogenität
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Vibrio cholerae
Microbiol Mol Biol Rev. 2004, 68(3): 560–602.
![Page 57: Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062312/5549ef15b4c90512488b521e/html5/thumbnails/57.jpg)
HYPOTHESE
V. cholerae wird aus dem Darm konkurriert
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Clostridium botulinum
Microbiol Mol Biol Rev. 2004, 68(3): 560–602.
![Page 59: Microbe wars: the ecology and toxicology of bacterial toxins](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062312/5549ef15b4c90512488b521e/html5/thumbnails/59.jpg)
HYPOTHESE
C. botulinum kann nur im toten Wirt mit Darmflora konkurrieren
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Nature Reviews Microbiology 6, 387-394 (May 2008) | doi:10.1038/nrmicro1889
Horizontaler Gentransfer
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GENTRANSFER
Spinnen – Bakterien
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Sphingomyelinase D
Corynebacterium:Gram-positive, facultativ anaerobe, nicht-sporulierende Stäbchen. Actinobacteria.
Bioinformatics 2006 22(3):264-268; doi:10.1093/bioinformatics/bti811
Loxosceles
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Krieg der Mikroben
• Nicht nur makrobiologische sondern auch mikrobiologische Ökosysteme zunehmend untersucht
• Ökologie der Mikroben hilft deren Toxikologie zu verstehen
• Nutzung dieses Verständnisses für Vorbeugung (Probiotik) und Therapie
• Ausbalancierte mikrobielle Ökosysteme halten Toxin-Produzenten in Schach
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Toxine
Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim (Paracelsus)
„All Ding' sind Gift und nichts ohn' Gift;allein die Dosis macht,
dass ein Ding kein Gift ist.“
Begründer der Toxikologie