Das Genom von Clostridium botulinum zeigt den Hintergrund für das tödlichste Toxin der Welt

Das Genom von Clostridium botulinum zeigt den Hintergrund für das tödlichste Toxin der Welt

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Anonim

Das Genom des Organismus, der das weltweit tödlichste Toxin produziert, ist heute bekannt. Dieses Toxin ist die einzige echte Waffe im Genom von Clostridium botulinum und weniger als 2 kg - das Gewicht von zwei Säcken Zucker - reichen aus, um jeden Menschen auf dem Planeten zu töten. Sehr kleine Mengen desselben Toxins werden in medizinischen Behandlungen verwendet, von denen eine als Botox® bekannt ist.

Die Genomsequenz zeigt, dass C. botulinum keine subtilen Werkzeuge zur Umgehung unserer menschlichen Abwehr oder komplizierten Methoden zur Erlangung von Antibiotikaresistenz besitzt. Es lebt entweder als ruhende Spore oder als Fänger von verrottendem tierischem Material im Boden und interagiert über einen längeren Zeitraum nicht mit menschlichen oder anderen großen tierischen Wirten.

Gelegentlich gelangt es über kontaminierte Nahrung oder offene Wunden in ein lebendes Tier, was zu Botulismus bei Säuglingen oder zu Botulismus bei Wunden führt, die beide schwerwiegende Infektionen beim Menschen darstellen. Der Wirt kann schnell überwältigt und in einigen Fällen durch das Toxin getötet werden, und C. botulinum hat eine neue Nahrungsquelle.

"Obwohl in der gleichen Gruppe wie Clostridium difficile - der Cdiff-Superbug - hat C. botulinum ein Genom, das bemerkenswert ist, weil es so stabil ist", kommentierte Dr. Mohammed Sebaihia, Hauptautor des Papiers des Wellcome Trust Sanger Institute. "Anders als bei Cdiff, bei dem mehr als 10 Prozent der Gene von anderen Bakterien erworben wurden, gibt es bei C. botulinum fast keinen Fußabdruck davon."

Es gibt verschiedene Arten von C. botulinum: Obwohl sie als Varianten einer einzelnen Art beschrieben werden, sind sie wirklich sehr unterschiedliche Organismen, die einfach deshalb miteinander verbunden sind, weil sie das tödliche Toxin haben. Für jeden Typ gibt es auch einen nahezu identischen, aber harmlosen Verwandten, dem das Toxin fehlt. C. sporogenes ist der nicht-maligne, nahezu doppelte sequenzierte Organismus.

Professor Mike Peck vom Institut für Lebensmittelforschung erklärte: "Es ist erstaunlich, dass 43 Prozent der vorhergesagten Gene im C. botulinum-Genom in den anderen fünf sequenzierten Clostridien fehlen und nur 16 Prozent des C. botulinum Gene sind allen fünf gemeinsam. Unsere Ergebnisse unterstreichen, wie unterschiedlich Clostridien voneinander sind. "

Das C. botulinum-Toxin verhindert, dass die Nerven arbeiten - die Grundlage seiner Verwendung in der Medizin zur Kontrolle von Zittern und bei kosmetischen Behandlungen. Für die Beute seiner opportunistischen Angriffe ist der Tod schnell. Das vielleicht wichtigste Mittel, um seine Stealth-Angriffe auszuführen, ist die Fähigkeit, in schwierigen Zeiten einen Winterschlaf zu halten, indem sich ruhende Sporen bilden.

Mehr als 110 seiner fast 3700 Gene werden verwendet, um die Sporenbildung und die Keimung zu kontrollieren, wenn sich die Gelegenheit ergibt.

"C. botulinum zeigt uns ein Extrem, wie Bakterien das Beste aus tierischen Wirten machen können", erklärte Dr. Julian Parkhill vom Wellcome Trust Sanger Institute. "Einige Organismen verwenden subtile Ansätze und choreografieren elegant ihre Interaktion mit uns und unserer Abwehr.

"C. botulinum geht den umgekehrten Weg. Er wartet und schlägt, wenn er die Gelegenheit dazu bekommt, mit einem mikrobiellen Vorschlaghammer auf seinen Wirt ein. Er frisst dann die Überreste und legt sich hin, bis der nächste Wirt kommt."

Die Genomsequenz ist gespickt mit Genen, die Enzyme produzieren, um Proteine ​​und anderes tierisches Material im Boden zu verdauen. Einzigartig bei dieser Art ist auch eine Reihe von Genen, die es ihr ermöglichen, die vielen Insekten und anderen kleinen Kreaturen, die im Boden leben, anzugreifen. Die von diesen Genen produzierten "Chitinasen" können die Hülle von Insekten und kleinen Krebstieren zersetzen.

Es sind nicht nur Tiere, die den Zorn von C. botulinum spüren können, erklärt Dr. Sebaihia: "Der Boden kann rau und die Nahrung knapp sein. Um sich von der Konkurrenz abzuheben, verfügt C. botulinum über ein eigenes 'Antibiotikum' - eine Chemikalie namens Boticin, die konkurrierende Bakterien tötet. "

Genomsequenzen können viel über die Biologie des Organismus aussagen, aber die Erforschung der Clostridien wurde durch das Fehlen eines guten genetischen Systems behindert. Professor Nigel Minton, Professor für Angewandte Molekulare Mikrobiologie an der University of Nottingham, hat neue Methoden entwickelt, um Gene in Clostridien auszuschalten.

"Selbst nach jahrzehntelanger Forschung wurden in Clostridien nur eine Handvoll Mutanten hergestellt, in C. botulinum keine", erklärt Professor Minton. "Wir haben mit dem ClosTron ein hocheffizientes System entwickelt, mit dem wir in wenigen Monaten über 30 Gene in vier verschiedenen Clostridien-Spezies ausgeschaltet haben, darunter acht in C. botulinum. Die Verfügbarkeit dieses Tools sollte die funktionellen Genomstudien revolutionieren in Clostridien. "

Dieses bemerkenswerte, stabile Genom zeigt die breite Palette von Strategien, die Bakterien anwenden, um ihre Überlebenschancen zu verbessern. Für die Clostridia reicht dieser Ansatz von der von Cdiff angewandten langfristigen Interaktion mit Wirten, bei der das Immunsystem umgangen und Antibiotika bekämpft werden, bis zum zielstrebigen opportunistischen Ansatz von C. botulinum.

Quelle: Universität Nottingham