Bienenwölfe nutzen seit 68 Millionen Jahren erfolgreich die gleichen Antibiotika

Neues aus der Forschung

Bienenwölfe nutzen seit 68 Millionen Jahren erfolgreich die gleichen Antibiotika

Meldung vom 10.03.2018

Antibiotika werden nicht nur vom Menschen, sondern auch von vielen Insekten zum natürlichen Schutz gegen Krankheitserreger eingesetzt. Ein Team von Forschern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena hat nun herausgefunden, dass Bienenwölfe das Problem der Resistenzbildung gegenüber Krankheitserregern anscheinend nicht kennen. Sie schützen ihren Nachwuchs mit symbiotischen Bakterien, die einen Antibiotika-Cocktail aus 45 Substanzen bilden, vor Schimmelpilzen. Die Vielfalt der Substanzen ist nicht nur weitaus höher als bislang angenommen, sondern seit dem Ursprung dieser Symbiose vor 68 Millionen Jahren erstaunlich stabil geblieben.


180310-1754_medium.jpg
 
Weiblicher Bienenwolf der Art Philanthus basilaris vor seinem Nesteingang in Utah/USA. Drei Gattungen dieser Grabwespen kultivieren symbiotische Streptomyces Bakterien, die den Nachwuchs schützen.
Foto: Martin Kaltenpoth / Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
Engl, T., Kroiss, J., Kai, M., Nechitaylo, T., Svatoš, A., Kaltenpoth, M. 2018. Evolutionary stability of antibiotic protection in a defensive symbiosis. PNAS
DOI: 10.1073/pnas.1719797115

Die Entdeckung von Penicillin vor etwa 90 Jahren und die flächendeckende Einführung von Antibiotika zur Bekämpfung infektiöser Krankheiten hat die Humanmedizin revolutioniert. In den letzten Jahrzehnten hat jedoch die Anzahl an resistenter und multiresistenter Keime kontinuierlich zugenommen und stellt die moderne Medizin vor massive Probleme. Antibiotika werden jedoch nicht nur vom Menschen, sondern auch von vielen Insekten zum natürlichen Schutz gegen Krankheitserreger eingesetzt. Ein Team von Forschern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena hat nun herausgefunden, dass Bienenwölfe das Problem der Resistenzbildung gegenüber Krankheitserregern anscheinend nicht kennen. Sie schützen ihren Nachwuchs mit symbiotischen Bakterien, die einen Antibiotika-Cocktail aus 45 Substanzen bilden, vor Schimmelpilzen. Die Vielfalt der Substanzen ist nicht nur weitaus höher als bislang angenommen, sondern seit dem Ursprung dieser Symbiose vor 68 Millionen Jahren erstaunlich stabil geblieben (Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, Februar 2018).

Bienenwölfe sind solitäre Grabwespen, die für ihre Nachkommen gelähmte Bienen als Vorräte in unterirdischen Brutzellen anlegen. Nachdem die Larve aus ihrem Ei geschlüpft ist, frisst sie den Proviant und überwintert danach in einem selbstgesponnenen Kokon im Boden. Dabei ist sie durch schnell wachsende Schimmelpilze gefährdet, deren Sporen im umliegenden Boden lauern. Zu ihrem Schutz haben Bienenwölfe nicht nur eigene Abwehrmechanismen entwickelt, sondern greifen auch auf das chemische Arsenal von Mikroorganismen zurück. Ausgewachsene Weibchen züchten in ihren Antennen Bakterien der Gattung Streptomyces, die sie ihren Nachkommen mit in die Brutzelle geben. Wenn Larven nun ihren Kokon spinnen, weben sie diese Streptomyceten mit in die Kokonseide ein, welche dort wiederum einen Cocktail aus unterschiedlichen Antibiotika produzieren. Diese schützende Schicht verhindert, dass Schimmelpilze in den Kokon eindringen und die Larve befallen können.

In der vorliegenden Studie in Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America konnten die Mainzer und Jenaer Wissenschaftler zeigen, dass die Schutzsymbiose zwischen Bienenwölfen und ihren bakteriellen Partnern nicht nur bereits seit der Kreidezeit besteht (siehe auch Pressemeldung vom 15. April 2014 „Treue Partner seit der Kreidezeit“: http://www.ice.mpg.de/ext/index.php?id=1085&L=1), sondern dass sich der antibiotische Erregerschutz seit seiner Entstehung vor etwa 68 Millionen Jahren nicht grundlegend verändert hat. Alle untersuchten Bienenwolf-Arten nutzten sehr ähnliche Gemische an Antibiotika von nur zwei Grundstrukturen, Streptochlorin und Piericidin. „Wir hatten eigentlich erwartet, dass einige Bienenwolfsymbionten im Laufe der Evolution neue Antibiotika in ihr Arsenal aufgenommen haben, die ihren Wirten helfen, sich gegen neue oder resistente Schimmelpilze zu verteidigen“ meint Tobias Engl von der Johannes-Gutenberg Universität in Mainz, der Erstautor der Studie. Die ursprüngliche Zusammensetzung des Antibiotika-Gemisches war aber wohl so effektiv, dass sich in allen untersuchten Arten nur wenig daran geändert hat. Dabei war wahrscheinlich besonders wichtig, dass dieses Gemisch gegen eine möglichst große Anzahl unterschiedlicher Schimmelpilze wirksam ist, da keine spezialisierten Krankheitserreger von Bienenwölfen bekannt sind, die Resistenzen gegen die Antibiotika ausbilden könnten.

Der breite Schutz des Antibiotika-Cocktails gegen eine Vielzahl an Schimmelpilzen beruht somit wahrscheinlich auf der großen Zahl von Substanzen, die von den Symbionten produziert werden. Da die meisten davon auf eine einzige Gruppe von Genen (Gencluster) zurückzuführen sind, untersuchten die Wissenschaftler auch die molekularen Ursachen für die große Zahl an Produkten. Sie stellten dabei an mehreren Schlüsselstellen der Biosynthese fest, dass die Enzyme der symbiotischen Streptomyceten weniger selektiv arbeiten als die freilebender Bakterien. Diese Ungenauigkeit führt zum Einbau unterschiedlicher Ausgangssubstanzen, wodurch eine größere Anzahl an Produkten gewonnen werden kann. Zusätzlich wird das direkte Endprodukt der Piericidin-Biosynthese noch auf vielfache Weise modifiziert. Das Ergebnis ist eine Vielzahl von Antibiotika, die bei verschiedenen Bienenwolf-Arten in unterschiedlichen Mengen vorkommen. Ein geographisches Muster in den relativen Mengen der einzelnen Antibiotika lässt darauf schließen, dass sie bis zu einem gewissen Grad eine Anpassung an lokale Schimmelpilz-Gemeinschaften erlauben.

Bienenwölfe und ihre Symbionten-produzierten Antibiotika sind dabei wohl einem anderen Selektionsdruck ausgesetzt als wir Menschen. Krankheitserreger beim Menschen gewinnen einen enormen Vorteil, wenn sie gegen gängige Antibiotika resistent werden, und können diesen Vorteil effektiv nutzen, da sie aufgrund unseres engen Zusammenlebens von Mensch zu Mensch übertragen werden können. Besonders vorteilhaft ist dies, sobald sie sich einmal in einem Krankenhaus ausbreiten können, wo sehr viele und oftmals immun-geschwächte Personen auf engem Raum zusammen leben. „Bienenwölfe kommen im Gegensatz dazu meist nur in recht kleinen Populationen vor, die oft ihren Standort wechseln, da sie auf offene Sandflächen für ihre Nisthöhlen angewiesen sind“, erklärt Martin Kaltenpoth, der in Jena eine Max-Planck-Forschungsgruppe leitete, bis er 2015 auf einen Lehrstuhl für Evolutionäre Ökologie an der Universität Mainz berufen wurde. „Dadurch haben resistente Krankheitserreger kaum eine Möglichkeit, sich innerhalb und zwischen Populationen auszubreiten.“ Vielleicht sind deshalb noch keine resistenten Mikroorganismen bekannt, die sich auf den Bienenwolf spezialisiert haben. Viel wichtiger scheint für die Bienenwölfe also zu sein, dass ihre Verteidigung gegen ein möglichst breites und ständig wechselndes Spektrum an Schimmelpilzen wirksam ist. Dieser Selektionsdruck war wohl entscheidend dafür, dass sich sehr früh in der Evolutionsgeschichte der Symbiose ein effektives Gemisch entwickelt und seitdem kaum verändert hat.


News der letzten 7 Tage

www.biologie-seite.de 14 Meldungen

Meldung vom 17.05.2019

Echoortung von Fledermäusen - Exzellente Navigation mit wenig Information

LMU-Forscher widerlegen bisherige Annahmen über die Echoortung: Fledermäuse haben deutlich weniger räumlich ...

Meldung vom 17.05.2019

Neues Petersilien-Virus von Braunschweiger Forschern entdeckt space

Neues Petersilien-Virus kommt im Raum Braunschweig und anderen Teilen Deutschlands vor.

Meldung vom 16.05.2019

Bettgenosse gesucht: Wer war der erste Wirt der Bettwanzen

Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter der kooperativen Leitung des TUD Biologen Prof. Klaus Rein ...

Meldung vom 15.05.2019

Schimpansen graben mit Werkzeugen nach Futter

Forschungsteam filmt im Zoo erstmals, wie die Menschenaffen vorgehen, um an vergrabene Leckereien zu kommen.

Meldung vom 15.05.2019

Übersatte Bakterien machen den Menschen krank

SFB 1182-Forschungsteam schlägt in einer neuen Hypothese vor, dass Entzündungskrankheiten durch ein Nahrungs ...

Meldung vom 15.05.2019

Große Fragen zur Rolle mikroskopischen Lebens für unsere Zukunft

Wie Mikroorganismen die dynamische Entwicklung unserer Erde beeinflussen.

Meldung vom 15.05.2019

Wälder tragen weniger zum Klimaschutz bei als vermutet

Eine Studie mit Beteiligung der Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL könnte ein Dämp ...

Meldung vom 15.05.2019

Ausgezirpt - Drastischer Biomasseverlust bei Zikaden in Deutschland

In der April- Ausgabe der vom Bundesamt für Naturschutz herausgegebenen Zeitschrift „Natur und Landschaft ...

Meldung vom 14.05.2019

Relaisstation im Gehirn steuert unsere Bewegungen

Die Relaisstation des Gehirns, die Substantia nigra, beherbergt verschiedene Arten von Nervenzellen und ist f ...

Meldung vom 14.05.2019

Archaeopteryx bekommt Gesellschaft

Forscher der Bayerischen Staatssammlung für Paläontologie und Geologie (SNSB-BSPG) sowie der LMU München be ...

Meldung vom 14.05.2019

Geschlechtsreife Aale bauen ihre Knochen ab

Um zu ihren Fortpflanzungsgebieten zu gelangen, schwimmen Europäische Aale mehrere Tausend Kilometer auf die ...

Meldung vom 13.05.2019

Universität Stuttgart benennt neue Bärtierchen-Art: Milnesium inceptum entdeckt

Eine neue Bärtierchen-Art wurde von Dr. Ralph Schill vom Institut für Biomaterialien und biomolekulare Syste ...

Meldung vom 13.05.2019

Anglerinnen und Angler sorgen für Fischartenvielfalt im Baggersee

Forschende des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) haben zusammen mit Fischere ...

Meldung vom 09.05.2019

Wie Stammzellen ein Gehirn korrekter Größe und Zusammensetzung bauen

Im Laufe der Gehirnentwicklung erzeugen Stammzellen unterschiedliche Typen von Neuronen zu unterschiedlichen Z ...


03.05.2019
Eine Frage der Zeit
24.04.2019
Kraftwerk ohne DNA

06.03.2019
Bindung mit Folgen
16.01.2019
Plötzlich gealtert

19.12.2018
Baum der Schrecken
07.11.2018
Plastik im Fisch
28.09.2018
Gestresste Pflanzen

13.08.2018
Wie Vögel lernen

15.06.2018
Primaten in Gefahr
24.05.2018
Störche im Aufwind
10.03.2018
Kenne Deinen Fisch!
10.03.2018
Leben ohne Altern
10.03.2018
Lebensraum Käse
10.03.2018
Domino im Urwald
10.03.2018
Trend-Hobby Imker
10.03.2018
Wie Bienen riechen

Newsletter

Neues aus der Forschung