Bienenwölfe benutzen seit 68 Millionen Jahren die gleichen Antibiotika


Bienenwölfe nutzen seit 68 Millionen Jahren erfolgreich die gleichen
Antibiotika

Der von symbiotischen Bakterien produzierte Antibiotika-Cocktail hat
sich im Laufe der Evolution kaum verändert und wirkt unvermindert

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 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.

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,
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 Dr. 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 ein einziges
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
immungeschwächte Personen auf engem Raum zusammenleben. „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
Prof. Dr.
Martin Kaltenpoth, der in Jena eine Max-Planck-Forschungsgruppe leitete,
bis er 2015 auf einen Lehrstuhl für Evolutionäre Ökologie an der JGU
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 möglichst gegen ein 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.

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