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Das Überleben von Bacillus anthracis: Wie überlebt dieses Bakterium jahrzehntelang in extremen Umgebungen?
Bacillus anthracis, ein grampositiver Bazillus, ist der Erreger von Milzbrand, einer tödlichen Krankheit, die für Nutztiere tödlich verläuft und gelegentlich auch Menschen infiziert. Es handelt sich um das einzige absolut pathogene Bakterium der Gattung Bacillus. Die Infektion ist zoonotisch und wird vom Tier auf den Menschen übertragen. Das Bakterium wurde erstmals 1876 vom deutschen Arzt Robert Koch entdeckt und war das erste Bakterium, dessen Krankheitserreger experimentell nachgewiesen wurde. Seine Forschung lieferte wichtige wissenschaftliche Beweise für die Pathogentheorie.
Dieses Bakterium hat eine erstaunliche Fähigkeit bewiesen, in extremen Umgebungen zu überleben und sogar jahrzehntelang unter widrigen Bedingungen zu bleiben. Was genau macht es so widerstandsfähig?
B. anthracis ist etwa 3 bis 5 Mikrometer lang und 1 bis 1,2 Mikrometer breit und bildet nach der Kultivierung oft lange Ketten. Auf dem Nährboden bilden sich mehrere Millimeter große, weiße oder cremefarbene Kolonien. Die meisten Stämme von B. anthracis produzieren eine Schutzschicht, eine sogenannte Kapsel, die ihre Fähigkeit, Immunreaktionen zu entgehen, weiter verbessert. Die Kapsel besteht aus Poly-D-Gamma-Glutaminsäure, die es den Bakterien ermöglicht, sich vor dem Immunsystem des Wirts zu verstecken.
B. anthracis ernährt sich vom Hämoglobin im Blut und nutzt zwei sezernierte Glykoproteine, IsdX1 und IsdX2, um Eisen aufzunehmen. Sie können nicht nur die Blutmatrix vom Hämoglobin befreien, sondern auch über Zelloberflächenproteine Eisen in die Zelle bringen. In einer geeigneten Umgebung werden die Endosporen von B. anthracis sofort aktiviert und beginnen zu wachsen, wodurch dieses Bakterium in der Natur überlebensfähig wird.
Der Schlüssel zum Überleben: Endosporen
Die Endosporen von B. anthracis sind der Schlüssel zu seinem Überleben und haben eine spezielle Struktur, darunter eine dicke Zellwand und mehrere Membranschichten. Diese Strukturen ermöglichen es den Endosporen, Hitze, Austrocknung und vielen Desinfektionsmitteln zu widerstehen und selbst nach Jahrzehnten oder Jahrhunderten in extremen Umgebungen lebensfähig zu bleiben.
Studien haben gezeigt, dass Endosporen von B. anthracis extreme Temperaturen und nährstoffarme Umgebungen überleben können, was sie zu potenziellen Biowaffen macht.
Genstruktur und Pathogenität
B. anthracis hat ein zirkuläres Chromosom mit einer Länge von etwa 5.227.293 bp und zwei exogene doppelsträngige DNA-Plasmide, pXO1 und pXO2, die Schlüsselfaktoren für seine Pathogenität sind. Insbesondere enthält das pXO1-Plasmid Gene, die mit dem Anthraxtoxin in Zusammenhang stehen, und die Expression dieser Gene wird durch das Trägerprotein reguliert.
Infektion und klinische Manifestationen
Eine unbehandelte Infektion mit B. anthracis verläuft häufig tödlich und die Infektionssymptome variieren je nach Eintrittsweg. Hautmilzbrand ist mit etwa 95 % die häufigste Form und führt mit der Zeit zu lokalisierten, schwarzen, nekrotischen Läsionen an der Infektionsstelle. Lungenmilzbrand ist äußerst tödlich und verursacht häufig erkältungsähnliche Symptome, gefolgt von schweren Atemproblemen.
Obwohl der Milzbrand-Impfstoff bereits 1881 vom französischen Chemiker Louis Pasteur entwickelt wurde, sind auch heute noch mehrere Impfstoffe erhältlich. Bei der Behandlung einer Infektion können häufig verwendete Antibiotika wie Penicillin und Fluorchinolone eine gute Wirksamkeit zeigen.
Entwicklung von Überlebenstechniken
Durch die Sequenzierung des gesamten Genoms konnten die Evolutionsgeschichte von B. anthracis und seine Beziehung zu anderen Bakterienarten deutlicher enthüllt werden. Das Genom von B. anthracis ist sehr konsistent und weist relativ wenige Mutationen auf, was auch zu einer relativ langsamen Evolution führt. Solche Eigenschaften ermöglichen es B. anthracis, seine Überlebensstrategie bei Umweltproblemen wirksam anzupassen.
Die Wechselwirkungen zwischen den Zellen von B. anthracis und dem Immunsystem sind äußerst komplex und zeigen die Fähigkeit des Bakteriums, die Immunantwort des Wirts zu modulieren. Diese Überlebensstrategien ermöglichen es ihm zweifellos, in der Biologie eine starke Widerstandsfähigkeit und Anpassungsfähigkeit zu zeigen.
Mit dem Fortschritt der Wissenschaft hat sich unser Verständnis von B. anthracis ständig vertieft, doch dieses Bakterium stellt noch immer eine große Bedrohung dar. Verstehen wir wirklich, wie er von der Antike bis in die Gegenwart überlebt hat?
