Leibwächter in Schmetterlingsraupen

Symbiotische Darmbakterien produzieren Antibiotikum

Nützliche Bakterien im Darm von Schmetterlingsraupen produzieren einen antibakteriellen Wirkstoff und töten damit andere, für die Entwicklung der Raupen schädliche Bakterien ab.

Raupe (oben und Mitte) und Puppe (unten) des Baumwollwurms Spodoptera littoralis, die mit dem Krankheitserreger Enterococcus faecalis infiziert sind. Das Bakterium Enterococcus mundtii hält den Erreger im Darm gesunder Raupen in Schach und verhindert eine Infektion. (© Yongqi Shao, Universität Zhejiang, Hangzhou, China)

Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter Leitung des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena konnte erstmals nachweisen, dass die Symbiose-Bakterien Enterococcus mundtii das Toxin Mundticin absondern. Es dringt im Darm des Afrikanischen Baumwollwurms Spodoptera littoralis in schädliche Darmkeime ein und tötet die Einzeller. Enterococcus mundtii sorgt damit für eine gesunde Darmflora und ein vermindertes Infektionsrisiko des Ernteschädlings.

Der Afrikanische Baumwollwurm Spodoptera littoralis ist ein besonders im Mittelmeerraum weit verbreiteter und gefürchteter Landwirtschaftsschädling. Er hat ein sehr breites Nahrungsspektrum und befällt Gemüse, Obst, Blumen und Feldfrüchte. Das Insekt ist neuen Erkenntnissen zufolge deshalb so erfolgreich, weil es eine Symbiose mit einem Bakterium in seinem Darm eingegangen ist.

Enterococcus mundtii-Darmbakterien (gelb) bilden einen Biofilm auf der Darmschleimhaut des Afrikanischen Bauwollwurms. Die symbiotischen Bakterien produzieren ein Kanal-bildendes Peptid namens Mundticin: Im Darm des Baumwollwurms dringt es in die Zellmembram von krankheitsübertragenden Bakterienzellen (blau und rosa) ein und tötet diese. Symbiotische Bakterienzellen (grün), wie beispielsweise Clostridien oder andere E. mundtii-Bakterien, sind gegenüber Mundticin unempfindlich. (© Yongqi Shao, Universität Zhejiang, Hangzhou, China)

Bereits 2012 konnten Forscher der Abteilung Bioorganische Chemie am Max-Planck-Institut in Jena zeigen, dass sich das Mikrobiom von Spodoptera littoralis, also die Gesamtheit aller Mikroorganismen, die diesen Schädling besiedelt, im Laufe der Larvenentwicklung stark verändert. Während im frühen Larvenstadium noch verschiedene Arten der Gattung Enterococcus zu finden waren, dominierten bei ausgewachsenen Raupen kurz vor der Verpuppung Bakterien der Art Enterococcus mundtii. Krankheitserreger, wie die verwandten Arten Enterococcus faecalis und Enterococcus casseliflavus, waren aus dem Mikrobiom der Raupen nahezu verschwunden. Diese Erkenntnisse veranlassten die Wissenschaftler, die Faktoren näher zu untersuchen, die die Zusammensetzung des Mikrobioms im Verlauf der Entwicklung der Insekten beeinflussen.  

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Die Forscher um Wilhelm Boland kultivierten daher Enterococcus-Bakterien für sogenannte Agardiffusionstests: Mit dieser Methode kann gezeigt werden, welche Bakterien sich in einem Medium bei Anwesenheit anderer Mikroorganismen ausbreiten und welche in ihrem Wachstum gehemmt werden. Dabei entdeckten sie, dass die im Raupendarm dominanten Enterococcus mundtii Bakterien eine chemische Substanz in das Medium abgeben, die das Absterben der anderen Bakterienarten verursacht. Kollegen aus dem Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie identifizierten anschließend die Substanz: Es handelt sich um das Peptid Mundticin KS, ein sogenanntes Bacteriocin, das von Bakterien abgesondert wird, um konkurrierende Bakterienstämme zu verdrängen.

Symbiose-Bakterien schützen vor Krankheitserregern
Weitere Untersuchungen zeigten, dass Enterococcus mundtii die Substanz quasi als körpereigenes Antibiotikum im Raupendarm produziert. Die Forscher versuchten, Raupen, die mit den Symbiose-Bakterien vergesellschaftet waren, mit dem Darmkeim Enterococcus faecalis zu infizieren. Der Erreger konnte jedoch dank der Symbionten erfolgreich aus dem Darm verdrängt werden. Raupen, die einen Enterococcus mundtii-Stamm ohne das Gen für die Synthese von Mundticin in ihrem Darm hatten, waren gegen eine Infektion mit dem Erreger hingegen machtlos. Bekamen die infizierten Raupen Mundticin mit ihrer Nahrung verabreicht, gingen die Darmerreger innerhalb von 24 Stunden um mehr als 60 Prozent zurück.

„Mundticin ist somit das erste mikrobielle Stoffwechselprodukt aus dem Darm eines Organismus, von dem wir wissen, wie es die Zusammensetzung der Darmflora beeinflusst“, erklärt Boland. Welche Mikroorganismen im Darm überleben und welche absterben, wird aber auch von der Nahrung und den darin enthaltenen sekundären Pflanzeninhaltsstoffen bestimmt. „Das Mikrobiom ist das Ergebnis einer sehr empfindlichen Balance von Sekundärmetaboliten aus der pflanzlichen Nahrung und den Stoffwechselprodukten sowohl der Insekten selbst als auch der die Insekten besiedelnden Mikroorganismen.“ Dieses Zusammenspiel wird derzeit genauer untersucht.

Viele Schmetterlingslarven richten in der Landwirtschaft große Schäden an. Zu ihrer Bekämpfung werden immer wieder auch Bakterien zur biologischen Schädlingsbekämpfung eingesetzt. „Grundlegende Kenntnisse über die Wirkungsweise von Bakteriocinen sowie die Identifizierung von Genen, die Resistenz gegen die Wirkstoffe verleihen, könnten maßgeblich dazu beitragen, die Schädlingskontrolle mithilfe bakteriocinresistenter Bakterien zu verbessern,“ sagt Erstautor Yongqi Shao, der seine Untersuchungen in Jena durchgeführt hat und seit 2015 an der Zhejiang Universität in Hangzhou, China, forscht. Auch für die medizinische Forschung liefert die Studie interessante Ansätze, denn Bacteriocine gelten als mögliche Alternativen zu konventionellen Antibiotika, gegen die in den letzten Jahren bedrohliche Resistenzen entstanden sind.

Originalpublikation:
Shao, Y., Chen, B., Sun, C., Ishida, K., Hertweck, C., Boland, W.: Enterococcus mundtii controls the development of the gut microbiome in the lepidoteran Spodoptera littoralis. Cell Chemical Biology; January 2017 (doi: 10.1016/j.chembiol.2016.11.015).

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Wilhelm Boland
Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Jena
E-Mail: boland@ice.mpg.de

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