Abstract
1928 beobachtete Sir Alexander Fleming in seinem Labor in London die bakterientötenden Wirkungen von Penicillin. Dies war der erste Schritt bei der Entdeckung einer der wichtigsten Säulen der heutigen Medizin: der Antibiotika. Es dauerte viele Jahre, um einen Weg zu finden, Penicillin in großen Mengen herzustellen, und die Großproduktion begann erst 1945., Bis heute gilt Fleming jedoch als der Vater der Antibiotika, und ohne seine Entdeckung konnten wir viele durch Bakterien verursachte Infektionen nicht behandeln. Dies bedeutet, dass ohne Antibiotika selbst eine kleine infizierte Wunde tödlich sein kann. Darüber hinaus ist die Operation mit Antibiotika viel sicherer und Menschen mit schwachem Immunsystem (wie Kinder oder ältere Menschen) können sich jetzt leicht von bakteriellen Infektionen erholen. Bakterien werden jedoch resistent gegen Antibiotika, was auch von Fleming 1945 während seiner Dankesrede für den Nobelpreis vorhergesagt wurde.,
Winzige Feinde und Freunde
Bakterien sind für uns sehr wichtig. Sie leben auf uns und in uns, und wir verwenden sie, um bestimmte Nährstoffe aus der Nahrung zu erhalten, unter vielen anderen Dingen (Lesen Sie mehr in diesem Young Minds Artikel; Wir sind nie allein: Leben mit der menschlichen Mikrobiota ). Einige Bakterien, sogenannte Krankheitserreger, können jedoch auch Infektionen verursachen, und einige Krankheitserreger können sehr gefährlich sein. Pathogene Bakterien sind eines der Hauptthemen der Mikrobiologie, nämlich das Studium von Mikroorganismen: winzige Lebensformen, die mit bloßem Auge nicht gesehen werden können., Mikrobiologen stehen seit der Entdeckung von Bakterien vor den gleichen Fragen. Wie infizieren Bakterien Menschen und vor allem gibt es etwas, was getan werden kann, um sie zu stoppen?
Ein einzelnes Bakterium kann nur mit einem Mikroskop gesehen werden. Die meisten Bakterien wachsen jedoch gut in einer Umgebung mit vielen Nährstoffen, und Brühen, die sehr nährstoffreich sind (auch als flüssiges Medium bezeichnet), können zum Wachstum von Bakterien verwendet werden ., Wenn ein Reagenzglas mit steriler Brühe und einer winzigen Anzahl von Bakterien bei einer bestimmten Temperatur inkubiert wird, wird die Flüssigkeit in wenigen Stunden trüb und kann sich sogar in der Farbe ändern. Wenn der Brühe eine geleeartige Substanz zugesetzt wird und die Mischung zum Schmelzen des Gelees erhitzt wird, kann diese Substanz zum Abkühlen auf Teller (auch als Petrischalen bezeichnet) gegossen werden, um ein nährstoffreiches Gelee zu erhalten, das auch als festes Medium bekannt ist. Bakterien können auf der Oberfläche eines festen Mediums kultiviert werden. Wenn wir genug Bakterien hinzufügen, bedecken sie die gesamte Oberfläche des nährstoffreichen Gelees., Wenn die Bakterien verdünnt und ausreichend auf der Platte ausgebreitet werden, repliziert sich ein einzelnes Bakterium so stark, dass es schließlich eine große Gruppe von Bakterien produziert, die mit bloßem Auge sichtbar sind und die wir als Bakterienkolonie bezeichnen. Wenn die ursprüngliche Bakterienquelle mehr als einen Typ enthielt, könnten Kolonien verschiedener Bakterienarten auf dem festen Medium wachsen. Wenn wir nur eine dieser Kolonien mit einem sterilen Objekt berühren und die Bakterien an eine sterile Flüssigkeit oder ein festes Medium weitergeben, können wir eine reine Kultur erzeugen, die nur eine Art von Bakterien enthalten sollte ., Routinemäßig arbeiten Mikrobiologen mit Reinkulturen, um aus ihren Experimenten mit einem einzigen Bakterientyp klare Schlussfolgerungen ziehen zu können. Wenn ihre Arbeit jedoch nicht unter sterilen Bedingungen durchgeführt wird, können die Röhrchen und Platten durch andere Bakterien oder sogar einige mikroskopisch kleine Pilze, die in der Umwelt leben, kontaminiert werden. Wenn das passiert, verwerfen die meisten Mikrobiologen diese Kultur und fangen wieder an. Aber Fleming war anders als die meisten Mikrobiologen.
Ein Unfall, der darauf wartete …
Am Morgen des Montags, dem 3 .September 1928, kam Fleming aus einem Familienurlaub zurück., Bevor er in den Urlaub fuhr, arbeitete Fleming mit einem sehr häufigen Erreger: Staphylococcus aureus. Fleming ließ einige Petrischalen aus Glas auf seiner Laborbank zurück, wobei diese Bakterien auf der Oberfläche eines festen Mediums wuchsen. Normalerweise würden diese Platten von einem Labortechniker sterilisiert, um sie in anderen Experimenten wiederzuverwenden. Fleming hatte jedoch immer einen letzten Blick auf alle seine Experimente, bevor er sie wegwarf, auch wenn sie wochenlang auf der Bank gehalten wurden (Abbildung 1A). Er würde zufällig Proben aus dem Tellerstapel ziehen, um zu sehen, ob in den letzten Wochen etwas Interessantes passiert ist., Da sein Labor ziemlich primitiv war, hatte Fleming häufig Verunreinigungen auf seinen Platten, die häufig durch Hefen und Schimmelpilze aus der Umwelt verursacht wurden. Aber ein Teller sah ganz anders aus, und als er diesen Teller bemerkte, sagte er berühmt: „Das ist lustig….“Die Platte war mit einer dichten Bakterienkultur inokuliert worden, aber sie war auch mit einem mikroskopischen Pilz kontaminiert, der eine große Kolonie auf der Seite der Platte schuf. Ungewöhnlich war, dass die Bakterien nicht in der Nähe der Pilzkolonie wachsen konnten., Es gab einen perfekt sichtbaren Bereich um den Pilz, der völlig frei von Bakterien war; Heute nennen wir dies eine Zone der Hemmung (Abbildung 1B). Daher entdeckte Fleming, dass ein Pilz (Penicillium notatum) etwas produzierte, das Staphylococcus aureus, einen gefährlichen Erreger, tötete. Fleming hatte gerade ein Antibiotikum entdeckt und nannte es zunächst „Schimmelpilzsaft“ .
- Abbildung 1 – A) Sir Alexander Fleming in seinem Labor in London (1943).,
- (B) Fleming beobachtete, dass eine Pilzkolonie (Penicillum notatum) eine Petrischale kontaminierte, die mit S. aureus, einem gefährlichen bakteriellen Erreger, geimpft wurde. Interessanterweise konnte S. aureus in der Umgebung der Kolonie P. notatum nicht wachsen. Fleming folgerte, dass der Pilz etwas produzierte, das S. aureus in der Zone der Hemmung tötete.,
Zu dieser Zeit dachten weder Fleming noch seine Kollegen, dass diese Entdeckung eine wirkliche Bedeutung haben könnte, und die tatsächliche Bedeutung wurde erst mehr als ein Jahrzehnt später demonstriert. Fleming hatte jedoch gerade die biologische Kriegsführung entdeckt, die zwischen verschiedenen Mikroorganismen besteht, die in einer nährstoffreichen Umgebung um den Weltraum kämpfen . Fleming schuf kein Penicillin, er beobachtete, dass eine Kolonie eines mikroskopischen Pilzes Penicillin produzierte, um mit Bakterien um die Nährstoffe auf einer fast weggeworfenen Platte zu konkurrieren., Seitdem haben Mikrobiologen in der Natur nach neuen Antibiotika gesucht, um zu testen, ob andere Mikroorganismen Antibiotika produzieren können, und dieser Ansatz war sehr erfolgreich. Sobald eine neue antimikrobielle Substanz identifiziert ist, wird diese Substanz gereinigt und kann chemisch modifiziert werden, um die Herstellung des neuen Antibiotikums in großen Mengen zu erleichtern oder neue Versionen der ursprünglichen Substanz zu erstellen. Wir suchen immer noch nach neuen Antibiotika, und jeder kann durch Initiativen wie „Swab and Send“ daran teilnehmen .
Wie wirkt Penicillin?,
Die Art und Weise, wie Penicillin das Bakterienwachstum hemmt, wurde erst 1980 verstanden. Jetzt wissen wir, dass Penicillin die Aktivität bestimmter Enzyme in Bakterien hemmt, die als Penicillin-bindende Proteine (PBPs) bezeichnet werden und für die meisten Bakterien essentiell sind, um eine Wand zu bilden, die ihre Zellen bedeckt. Ohne diese Wand sind Bakterienzellen der Umwelt viel stärker ausgesetzt und können sehr leicht absterben, wenn sich die Umgebung ändert. In Gegenwart von Penicillin können Bakterien diese Zellwand nicht produzieren, um sich selbst zu schützen, und sie sterben ab., Penicillin ist Teil einer Familie ähnlicher Antibiotika, die β-Lactame genannt werden, und viele Bakterien werden resistent gegen β-Lactame, indem sie entweder Enzyme produzieren, die diese Antibiotika abbauen, oder indem sie modifizierte Versionen der PBPs erwerben, die nicht mehr an Penicillin binden .
Die Resistenz steigt…
Was Fleming auch während seiner Rede zur Annahme des Nobelpreises 1945 vorhersagte, war, dass Bakterien gegen Antibiotika resistent werden könnten. Dies geschieht nur aufgrund der Evolution, da sich Bakterien sehr schnell anpassen können, um jede Hürde zu überwinden, die ihr Wachstum begrenzt., Die Veränderungen, die Bakterien helfen, sich anzupassen, können durch zufällige Mutationen in ihrer DNA ausgelöst werden, und der Prozess ist wirklich schnell—Sie können dies fast in Echtzeit sehen! . Darüber hinaus haben viele der Mikroorganismen, die Antibiotika produzieren, auch Gene, die sie resistent gegen diese Antibiotika machen. Bakterien sind sehr gut darin, DNA von anderen Organismen zu erwerben, um neue Fähigkeiten zu erlangen. Dies wird als horizontaler Gentransfer bezeichnet . Wenn pathogene Bakterien die Gene erwerben, um sie gegen ein bestimmtes Antibiotikum resistent zu machen, wird dieses Antibiotikum in der Klinik unbrauchbar., Um Antibiotikaresistenzen vorzubeugen, sollten Antibiotika nur bei Bedarf angewendet werden (z. B. können Viren nicht durch Antibiotika abgetötet werden, daher sollten sie nicht bei Virusinfektionen eingenommen werden), die richtige Dosis sollte verwendet werden (da eine zu niedrige Dosis dazu beitragen kann, resistente Stämme zu bilden), und wir sollten Antibiotika für die gesamte Zeit einnehmen, in der sie verschrieben werden, um sicherzustellen, dass alle Bakterien, die die Infektion verursachen, abgetötet werden. Wenn wir diese Schritte nicht unternehmen, könnten wir die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen unterstützen, und dies ist ein großes Problem., Tatsächlich werden die gefährlichsten bakteriellen Erreger gegen viele Antibiotika resistent . Arzneimittelhersteller verlieren das Interesse an der Entwicklung neuer Antibiotika, da diese Medikamente möglicherweise nicht rentabel sind, da die Antibiotikaresistenz zunimmt. Folglich ist die Geschwindigkeit, mit der neue Antibiotika entdeckt werden, nicht schnell genug, um mit der Entstehung neuer, antibiotikaresistenter Krankheitserreger fertig zu werden. Wir könnten bald in eine präantibiotische Ära zurückkehren, in der mit Bakterien infizierte Menschen nicht effektiv behandelt werden konnten.,
Schlussfolgerung
Die Entdeckung von Penicillin war nur in einem Labor möglich, in dem Kontaminationen üblich waren. Zufall spielte sicherlich eine Rolle bei der Entdeckung des ersten Antibiotikums, aber die Ausbildung und Laborpraxis von Fleming waren für ihn unerlässlich, um eines der wichtigsten Medikamente in der Menschheitsgeschichte zu identifizieren. Leider sind Mikrobiologen aufgrund von Antibiotikaresistenzen in einem Wettlauf mit bakteriellen Krankheitserregern, um neue Wege zur Behandlung von Infektionen zu finden., Heute haben wir ein besseres Verständnis dafür, wie Krankheitserreger mit ihren Wirten interagieren, wie antimikrobielle Mittel wirken und welche Mechanismen der Antibiotikaresistenz es gibt. Aber auch 90 Jahre nach der Entdeckung von Penicillin ist noch viel mehr Arbeit erforderlich, um die derzeitige Antibiotikakrise zu bekämpfen. Sie können daran teilnehmen, indem Sie an der Initiative Swab and Send teilnehmen!
Glossar
Erreger: Ein Mikroorganismus, der in den Körper eindringt und eine Infektion verursacht.
Petrischale: Eine Glas – oder Plastikschale mit Deckel zur Kultivierung lebender Zellen.,
Bakterienkolonie: Gruppe von Bakterienzellen, die auf der Oberfläche eines festen Mediums zusammenwachsen, die mit bloßem Auge sichtbar sind.
Hemmzone: Bereich um die Quelle eines Antibiotikums, in dem Bakterienkolonien nicht wachsen.
Interessenkonflikt
Der Autor erklärt, dass die Forschung ohne kommerzielle oder finanzielle Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.
Madigan, T. M., Bender, K. S., Buckley, D. H., Sattley, W. M., and Stahl, D. A. 2018. Brock Biologie von Mikroorganismen. 15.Aufl., London: Pearson.
Braun, K. 2017. Penicillin Mann, Alexander Fleming und die Antibiotika-Revolution. Cheltenham: Die Geschichte Presse.
Tupfer und Senden Initiative. Online verfügbar unter: https://www.lstmed.ac.uk/public-engagement/swab-send