Escherichia coli
Arbeitspferd in der Forschungslandschaft
Wer diesen Blog schon eine Weile liest, dem wird bewusst sein, dass eigentlich überall um uns herum Mikroben zu finden sind. Dass sie auch überall in uns sind, wird für die meisten auch keine Überraschung mehr sein. Gerade in den vergangenen Jahren ist die Berichterstattung und Forschung über das Mikrobiom und seinen Einfluss auf unser Wohlbefinden geradezu explodiert. Heute wollen wir uns deshalb mit einem Mikroorganismus beschäftigen, der eigentlich in uns lebt, sich aber außerhalb unserer Körper zu einem unverzichtbaren Bestandteil der Forschungslandschaft und Biotechnologie gemausert hat. Heute geht es um Escherichia coli.
Erstmals entdeckt wurde das Bakterium durch den Kinderarzt und Bakteriologen Theodor Escherich im Jahre 1885. Er arbeitete zu dieser Zeit im Dr. von Haunerschen Kinderspital in München und schrieb an seiner Habilitationsschrift. Das ist eine wissenschaftliche Arbeit, die zur Erlangung der Lehrberechtigung an deutschen Universitäten befähigt. Vereinfacht gesagt, ist sie also notwendig, um Professor oder Professorin werden zu können. Im Falle von Theodor Escherich trug diese Schrift den Titel „Die Darmbakterien des Säuglings und ihre Beziehungen zur Physiologie der Verdauung“. Darin beschrieb er ein Bakterium, dass aus dem Colon, einem Teil des Dickdarms, isoliert werden konnte und nannte es bacterium coli commune. 1895 wurde das Bakterium durch Walter Migula erneut beschrieben. Da es sich bei dieser Beschreibung um eine Veröffentlichung handelt, gilt diese in der Bakteriologie als erste offiziell anerkannte Nennung des Bakteriums. Um die Arbeit Escherichs dennoch anzuerkennen, wurde die Spezies dann im Jahre 1919 durch Aldo Castellani und Albert John Chalmers nochmal unbenannt – und heißt seitdem Escherichia coli.
Obwohl die Mikrobe erst im ausgehenden 19. Jahrhundert entdeckt wurde, sind die Geschichten von Escherichia coli und Homo sapiens, dem Menschen, schon lange miteinander verwunden. Vielleicht sogar schon, seit es Menschen gibt. Milliarden dieser Bakterien trägt jeder von uns jeden Tag mit sich herum – und macht sogar Geschäfte mit ihnen. Mit Geschäften meine ich in diesem Fall allerdings nichts, was mit Geld zu tun hat – es sei denn, ihr seid Kenner des alten Roms. Achso, und es gibt doch eine ganze Menge, die E. coli mit Geld zu tun hat – darauf kommen wir später nochmal zurück. Jetzt aber erstmal weiter im Text. Escherichia coli lebt nämlich wie bereits erwähnt im menschlichen Darm. Dort macht es etwa 0.1 % - 5 % der dort lebenden Mikroben aus, spielt aber eine nicht zu unterschätzende Rolle. Escherichia coli ist nämlich aktuellen Forschungshypothesen zur Folge eines der ersten Bakterien, dass den Darm von Neugeborenen besiedelt und damit den Weg für die Bildung der Darmflora ebnet. Es handelt sich bei E. coli um ein fakultativ anaerobes Bakterium. Das heißt, es lebt gerne in Abwesenheit von Sauerstoff, kann aber gewisse Mengen davon tolerieren und sogar verbrauchen. Damit ermöglicht es vor allem die Ansiedelung von Bakterien, die Sauerstoff nicht so gerne mögen. Den geschützten Lebensraum im menschlichen Darm erkauft sich E. coli aber auch mit einer Gegenleistung. Im Colon ist es vermutlich an der Bereitstellung von Vitamin K beteiligt, das für den Menschen essenziell ist. Zudem dient E. coli auch als kleiner Schutzpatron. In seiner ökologischen Nische kann es andere Bakterien auskonkurrieren. Das bedeutet, dass möglicherweise gefährliche Bakterien im Darm nicht wachsen können, da die Konkurrenz durch E. coli zu groß ist.
Doch nun müssen wir auch zu einem etwas ernsteren Thema kommen, dass sonst in diesem Podcast eher weniger Raum bekommt. Denn obwohl E. coli ein Organismus ist, der den Menschen ab Geburt bis zum Lebensende begleitet, kann es uns auch ganz schön gefährlich werden. Das gilt vor allem dann, wenn außerhalb des Darms vorkommt, bspw. auf Lebensmitteln wie Rindfleisch, Rohmilch, Sprossen oder in Gewässern. Dort kann es beispielsweise durch Kontaminationen mit Fäkalien hingelangen, und in Folge des Verzehrs lebensbedrohliche Erkrankungen auslösen. Meist handelt es sich um Durchfallerkrankungen, aber auch Harnwegsinfekte oder sogar Hirnhautentzündungen gehören dazu. Eine der in Deutschland wohl bekanntesten Infektionswellen war ein EHEC-Ausbruch 2011, der vermutlich durch belastete Bockshornkleesamen ausgelöst worden war. EHEC steht hier für Enterohämorrhagische Escherichia coli vom Serotyp O104:H4. Aber Moment, was ist denn jetzt ein Serotyp? Und sind diese Bakterien, die uns krank machen, dieselben, die in unserem Darm leben?
Die Antworten beider Fragen sind sehr eng miteinander verknüpft. Wir haben uns in diesem Podcast ja schon so einige Mikroorganismen angesehen. Hierbei galt immer, dass eine Spezies, definiert durch ihren Gattungs- und Artnamen, dieselben Eigenschaften teilt. Spezies war also die kleinste Unterteilung, die wir genutzt haben, um Bakterien und andere Mikroben voneinander zu unterscheiden. Tatsächlich ist das aber in vielen Fällen nicht die ganze Wahrheit. Meist kann man Spezies auch in Subspezies unterteilen, und darunter erfolgt noch die Einteilung in die eben schon erwähnten Serotypen oder Serovare. Diese unterscheiden sich vor allem in dem voneinander, dass sie auf ihrer Oberfläche präsentieren und damit auch darin, wie gut „sichtbar“ sie für das menschliche Immunsystem sind. Bei der Spezies Escherichia coli geht es also nicht um Bakterien mit identischen Eigenschaften. Vielmehr fasst der Speziesname hunderte Serovare zusammen, die sich alle leicht voneinander unterscheiden. Die meisten der Stämme sind tatsächlich ungefährlich, aber es gibt eben auch einige, die an den falschen Orten zu großen Problemen führen können.
Jetzt fragt ihr euch sicher, warum ich ausgerechnet in dieser Folge so ins Detail gehe und mit Fakten um mich werfe. Das liegt vor allem daran, dass wir über E. coli einfach jede Menge wissen – viel viel mehr als über wahrscheinlich jeden anderen Mikroorganismus auf und außerhalb dieses Planeten. Diese schiere Masse an Daten und Erkenntnissen ist wohl auch der Grund, warum ich so lange gewartet habe, um eine Folge über die wohl bekannteste und vielleicht auch wichtigste Mikrobe der Welt zu machen. Zumindest, wenn man es aus der Sicht der Molekularbiologie sieht. Hier hat sich E. coli seit seiner Entdeckung im Jahre 1885 absolut unverzichtbar gemacht und ist seitdem aus der aktuellen Forschungslandschaft, Biotechnologie, Arzneimittelproduktion, Bioremediation, Plastik- und Biotreibstoffproduktion und einer Vielzahl anderer Bereiche schlichtweg nicht mehr wegzudenken. Lasst uns also gemeinsam einen Blick in die Vergangenheit werfen, um zu verstehen, wie und warum E. coli zu solch einem Superstar geworden ist – und wie ein Bakterium, dessen Aussehen lose an ein verschrumpeltes Thüringer Bratwürstchen erinnert, an der Verleihung zahlreicher Nobelpreise und der Veröffentlichung zehntausender wissenschaftlicher Publikationen beteiligt sein kann.
Alles beginnt 1922 mit der Isolation eines E. coli Stammes aus der Stuhlprobe eines Patienten, der sich von Diphterie erholt. Dieser Stamm bekommt den Namen E. coli K-12 und ist auch heute noch die Grundlage für eine Vielzahl von E. coli Stämmen, die in Laboren rund um die Welt tagtäglich eingesetzt werden. Charles E. Clifton, der sich mit dem Wachstum und der Physiologie der Bakterien beschäftigte, nutzte E. coli K-12 für seine Arbeiten. Als Gründe nannte er die einfache Verfügbarkeit, das vielfältige Wissen über seinen Metabolismus und die einfache Unterscheidbarkeit von Kontaminationen.
In den 1930er Jahren arbeiteten dann auch der Biophysiker Max Delbrück und der Mikrobiologe Salvador Luria an E. coli. Gemeinsam untersuchen sie, wie Bakteriophagen sich vermehren – das sind Viren, die spezifisch Bakterien befallen können. Ihre Publikation aus dem Jahr 1943 gilt als einer der Grundsteine für das Feld der Molekularbiologie und 1969 erhielten Delbrück und Luria dafür gemeinsam mit Alfred D. Hershey den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Gerade weil sie in ihrer Forschung kein besonders großes Interesse an E. coli selbst hatten, kam die unter unkomplizierten Bedingungen schnell wachsende Mikrobe gerade recht. Bei guter Versorgung mit Nährstoffen erreichen die Bakterien Verdopplungszeiten von etwa 20 min. Das ist auch in der Mikrobenwelt beeindruckend schnell.
So blieb das Bakterium nicht lange unbekannt und auch der spätere Nobelpreisträger Jacques Monod ließ sich von seinem Kollegen und Mitlaureaten André Lwoff davon überzeugen, seine Forschung zur Regulation der Genexpression an E. coli durchzuführen. Über E. coli wusste man nämlich zu diesem Zeitpunkt schon folgendes: gibt man dem Bakterium Glucose und Lactose zu essen, nutzt es zunächst die Glucose, dann dauert es eine Weile auf die Herstellung anderer Enzyme umzustellen, die dann auch die Verwendung der Lactose ermöglichen. Wie genau dieses Umschalten der Verwendung verschiedener Gene funktioniert und reguliert wird, war zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannt. Das Wissen, dass Monod, Lwoff und Francois Jacob mit ihrer Forschung gewinnen konnten, führte 1965 zur Verleihung des Nobelpreises für Physiologie oder Medizin an das Trio und ist so grundlegend, dass eine Vielzahl molekularbiologischer Methoden, die Studierende heute als absolute Basics lernen noch auf diesen Erkenntnissen basiert.
Damit ist die Geschichte jedoch immer noch nicht auserzählt. E. coli besitzt noch eine weitere Fähigkeit, die in der heutigen Forschung und Biotechnologie eine entscheidende Rolle spielt. Das ist ihre Fähigkeit, DNA, also Erbgut aus der Umgebung, insbesondere von anderen Zellen aufzunehmen und zu verwenden. Damit zeigen E. coli Bakterien in der Umwelt eine hervorragende Anpassungsfähigkeit und Wandelbarkeit. Nach Entdeckung der Fähigkeit der sogenannten genetischen Rekombination durch Joshua Lederberg und Edward Tatum im Jahre 1946 folgten die Erkenntnisse zur Genetik von E. coli Schlag auf Schlag.
Das Wissen über den horizontalen Gentransfer, die Funktionsweise von Plasmiden, also runden DNA-Fragmenten, und über die Möglichkeit Gene gezielt ein und auszuschalten explodierte förmlich. Im Jahre 1973 gelang dann Herbert Boyer und Stanley Cohen ein großer Coup. Sie kombinierten DNA von E. coli mit einem Gen, dass Resistenz gegen ein Antibiotikum vermitteln konnte – und tatsächlich konnte das Bakterium die DNA aufnehmen und war danach resistent. Was wie ein vermeintlich kleines Experiment klingt, war das Ergebnis harter Arbeit und der Überwindung vieler Fehlschläge - aber auch der Beginn der Gentechnik. Immer schneller kam zu dieser Zeit neues Wissen über E. coli dazu und darüber wie man DNA gezielt verändern kann, wie aus Genen Proteine werden und wie man Bakterien dazu bringen kann gezielt Proteine zu produzieren.
An dieser Stelle müssen wir nochmal zu Herbert Boyer zurückkehren. Nach seinen ersten erfolgreichen Experimenten hörte er nämlich nicht auf, an E. coli zu arbeiten, sondern ging noch weiter. Alle neuen Erkenntnisse nutzend, gelang es ihm im Jahre 1979 dann das Insulin durch E. coli produzieren zu lassen. Bei Insulin handelt es sich um ein Proteohormon, das in der Behandlung von Diabetes mellitus, umgangssprachlich der Zuckerkrankheit, unverzichtbar ist. Seit dieser Zeit setzt die Biotechnologie in großen Teilen auf Bakterien, um Insulin und andere Wirkstoffe herzustellen. Das ist auch deutlich weniger aufwendig, schmutzig und teuer als die Isolation aus Tieren.
Bis zum heutigen Tag ist quasi ständig Bewegung in der Stammlandschaft von E. coli. Stämme werden angepasst, um besser Proteine mit bestimmten Eigenschaften produzieren zu können. Zudem wurde auch viel in die Sicherheit von Laborstämmen investiert, so dass es sich bei den E. coli Bakterien, die heute in Laboren verwendet werden, um die Stubentiger der Mikrobenwelt handelt. Diese Stämme sind nicht nur nicht pathogen, sie haben auch viele Sicherheitsmechanismen, die beispielsweise das Überleben in der Umwelt erschweren. So wird das Risiko, das von den Mikroben ausgeht, deutlich reduziert – auch wenn sie unbeabsichtigterweise ihr Laborumfeld mal verlassen sollten.
Seit 1997 ist auch das gesamte Genom von Escherichia coli K-12 veröffentlicht. Sein Chromosom ist 4,6 Mio. Basenpaare lang und enthält über 4.000 Gene. Und obwohl E. coli wohl die Mikrobe auf der Welt ist, über die am meisten bekannt ist, weiß man noch bei weitem nicht bei allen dieser Gene, was sie eigentlich genau machen. Das aber nur, um uns an dieser Stelle noch einmal in Erinnerung zu rufen, wie winzig klein unser Wissenstand im Verhältnis zur enormen und faszinierenden mikrobiellen oder allgemein uns umgebenden Vielfalt ist.
Ich könnte euch wahrscheinlich jetzt noch stundenlang von Escherichia coli erzählen, was das Bakterium noch so alles kann, wo es überall eingesetzt wird, woran aktuell geforscht wird, aber das würde euch nicht nur sehr schnell langweilen, es würde auch meine Kapazitäten in der fachlichen Vorbereitung überschreiten. Ich denke, ich konnte euch in dieser vollgepackten Folge einen ganz guten Eindruck von dieser Ausnahmemikrobe verschaffen, die es schon als Pandemieauslöser ins Videospiel The Last of Us und in den Weltraum geschafft hat. Diese Mikrobe, die in der Kunststoffproduktion, der Herstellung von Biosensoren, dem Plastikabbau, der Bioremediation, der Tumortherapie, der Herstellung von Impfstoffen und Medikamenten, der Erforschung von Antibiotikaalternativen und CO2-Fixierung und so vielem mehr eingesetzt wurde. Diese Mikrobe, die nicht nur in der Forschung genutzt wird, sondern auch in ihrer natürlichen Funktion als Darmbakterium noch unheimlich viele Geheimnisse für uns bereithält – sei es, wie sie auf das Darmmikrobiom einwirkt, wie sie uns Menschen beeinflusst, wie sie in Biofilmen mikrobielle Gemeinschaften aufbaut und kommuniziert, wie sie schwimmt, Informationen austauscht und was überhaupt die minimalen Bestandteile für ihr Bestehen sind. Hier lauert noch eine Menge faszinierender Details und dann vielleicht auch irgendwann die Auszeichnung „Mikrobe des Jahres“, die bislang in der großen Sammlung an Preisen für Escherichia coli fehlt.
Um die Folge aber doch noch zu einem Abschluss zu bringen, muss ich nochmal etwas aufgreifen, das ich eher zu Anfang der Folge erwähnt habe: Die Geschäfte mit den Mikroben. Pecunia non olet – Geld stinkt nicht – ist eine umfassend bekannte lateinische Redewendung, um Gelderhalt aus unlauteren Quellen zu rechtfertigen. Der römische Kaiser Vespasian soll das aus der Latrinensteuer erhaltene Geld seinem Sohn Titus unter die Nase gehalten haben, um von ihm zu hören, dass daran kein Uringeruch hafte. Und obwohl Titus nichts gerochen haben mag, bin ich mir sehr sicher, dass sich eine Sache damals wie auch heute nicht geändert hat. Auf einem Großteil des sich im Umlauf befinden Münzgeldes ist Escherichia coli nachweisbar. Wenn ihr also in das seltener werdende Vergnügen kommt, etwas mit Münzen zu bezahlen, verschwendet doch einen kurzen Gedanken an den unglaublichen Reichtum an Wissen, der auch auf einer Centmünze lebt. Und werft sie nicht direkt angeekelt weg, die Bakterien darauf werden euch im Regelfall nicht gefährlich.
Links & weitere Infos
Erstbeschreibung und Benennung
· Escherich, T. (1886). Die Darmbakterien des Säuglings und ihre Beziehungen zur Physiologie der Verdauung. Enke.
· Castellani, A., & Chalmers, A. J. (1920). Manual of tropical medicine. W. Wood.
· Migula, W. (1895). Bacteriaceae (Stäbchenbacterien). W. Engelmann.
· Bielaszewska, M. et al. (2011), The Lancet Infectious Diseases, 11(9), pp. 671–676.
Mikrobiologischer Überblick und historischer Rückblick
· Eitinger, T. (2014) Allgemeine Mikrobiologie. 9., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage. Edited by G. Fuchs and H.G. Schlegel. Stuttgart New York: Georg Thieme Verlag.
· Blount, Z.D. (2015) ‘The unexhausted potential of E. coli’, eLife, 4, p. e05826.
· Ruiz, N. and Silhavy, T.J. (2022), Journal of Bacteriology, 204(9), pp. e00230-22.
Genomsequenzierung
· Blattner, F.R. et al. (1997), Science, 277(5331), pp. 1453–1462.
Rolle als Darmbakterium
· Eckburg, P.B. et al. (2005), Science, 308(5728), pp. 1635–1638.
· Foster-Nyarko, E. and Pallen, M.J. (2022), FEMS Microbiology Reviews, 46(3).
E. coli auf Münzgeld
· Angelakis, E. et al. (2014), Future Microbiology, 9(2), pp. 249–261.