Habilitationsvortrag
Dr. rer. nat. Björn Brembs
13.05.2009

Wirkungsgefüge von
Lebensgemeinschaft (Biozönose)
und Lebensraum (Biotop)

• Offen, dynamisch, komplex
• Trophische Ebenen
– Produzenten
– Konsumenten
– Destruenten
• Sukzession – Mosaikbildung
• Konkurrenz, Predation, Mutualismus, Kommen
salismus

• 1014 menschliche Zellen
• 1015 Bakterien
• 1017 Viren
• Mikrobielles Metagenom evtl. grösser als
menschliches Genom
• 98% Sequenzidentität zw. Mensch und
Schimpanse, jedoch nur 50% mikrobielle
Speziesidentität

Mims C et al. Medical Microbiology, 2004.

• Streptococcus gordonii
vergärt Kohlenhydrate
zu Milchsäure
• Veilonella atypica
nutzt Milchsäure als
Energielieferant
• V. atypica induziert
Amylase-Aktivität in S.
gordonii
Egland P. G. et.al. PNAS 2004;101:16917-16922
©2004 by National Academy of Sciences

• Erste Welle (Gram+)
Streptokokken binden
Oberflächenproteine
• Zweite Welle (Gram-)
Brückenspezies F.
nuclearum bindet
andere Bakterien
• Dritte Welle: Biofilm
Kolenbrander et al. 2002, Microbiol Mol Biol Rev 66:486

Biofilme
http://www.socialfiction.org/img/biofilm.jpg

• Buchnera aphidicola: Gram negative, intrazelluläre Bakterien in spezialisierten
Bakteriozyten
• Stellt dem Wirt kritische Nährstoffe zur Verfügung
• Seit mehr als 150 Mio Jahren vertikal übertagen (Mutter-Nachkommen)
• Mit E. coli verwandt, Genom drastisch reduziert (600 von ~4000 urspr. Genen)

Maternale Bakteriozyten
Späte Embryonen mit Symbionten
Frühe Embryonen mit
sichtbaren Symbionten
1 mm
J. Sandström

Blattlaus-Eier mit
Buchnera der Mutter 0.5 mm
A. Mira

• Streptococcus sobrinus
Rasen
• Streptococcus mutans
Kolonien
• Mutazin I und IV
Photo: Dr. Jens Kreth

• Von den meisten Bakterien produzierte Peptide
• Meist nur für nah verwandte Arten bakteriostatisch oder
bakterizid wirkend
• Ohne Resistenzmechanismen sind auch die produzierenden
Zellen betroffen
Stamm Bakteriozin Wirkspektrum Lokalisierung
Lactobacillus Lactobacillus sp
Lactacin F Plasmid
Enterococcus
acidophilus
feacalis
Lactobacillus Sakacin P Lactobacillus sp nicht bekannt
Carnobacterium sp
sake Sakacin A Plasmid
Lactobacillus sp
Enterococcus sp
Listeria
monocytogenes
Lactobacillus Lactobacillus sp
Curvacin A Plasmid
Listeria
curvatus
monocytogenes

a) Porenbildung
– Häufigster Mechanismus
– Membran Depolarization
– Elektrolyt-Verlust
– Letztendlich Lyse
b) Zellwand-Degradation
– Löst Peptidoglycane auf
– Lyse
c) Nuklease Aktivität
– Chromosomale DNA
– 16S-RNA
Cursino et al. 2002. Brazilian Journal of Microbiology 33: 185-195

Offene Ökosysteme

Gram-positive, fakultativ anaerobe
Kokken:
• Kommensales Hautbakterium
• Staphylokokken-Enterotoxine
• Toxic shock syndrome Toxin (TSST)

Aufnahme beim Trinken

Gram-negatives Stäbchen: Cholera Toxin

Aufnahme durch Lebensmittel

Anaerobes, Gram-
positives, sporenformendes
Stäbchen:
Botulinumtoxin („Botox“)

Aufnahme durch Atmung

Gram-positives, sporenformendes Stäbchen:
Anthraxtoxin

Aufnahme durch die Haut

Gram-negative Stäbchen
• Bakteriozine
• Immunsuppressiv
• Yersinia outer proteins
(Yop)

• Typ I Toxine: Rezeptorbindend
– Binden an die Zelloberfläche werden aber nicht in die Zelle
transloziert (SEB)
• Typ II Toxine: Porenformend
– Formen Poren in der Zellmembran (Anthraxtoxin PA)
• Typ III Toxine: Intrazellulär wirkend
– Rezeptor-gekoppelte Translokation in die Zelle und
Schädigung intrazellulärer Komponenten (Botulinumtoxin)

Typ I Typ II Typ III

• Zell Lyse (Hämolysine, Leukozidine)
• cAMP Anstieg (Cholera Toxin)
• Blockade der Proteinsynthese (Diphtherie
Toxin)
• Hemmung der synaptischen
Erregungsübertragung (Botulinum-, Tetanus
Toxin)

toxin source LD50 [µg/kg]
Clostridium botulinum toxin bacteria 0.001
Shigatoxin bacteria 0.002
Abrin plant 0.04
Clostridium perfringens toxin bacteria 0.1-5
Ricin plant 3
α-Conotoxin snail 5
Saxitoxin algae 10
Staphylococcus enterotoxin bacteria 27
VX nerve agent 15
Sarin nerve agent 100
Cyanide (KCN) chemical 2860

Extrazellulär Intrazellulär
bindend
aktiv
A B

• A: Enzymatische
Untereinheit
• B: Zellbindende
Untereinheit

Toxin Organisation Aktivität
Diphterietoxin AB ADP Ribosylierung
Exotoxin A AB ADP Ribosylierung
Zn++ Protease
Botulinumtoxin AB
Zn++ Protease
Tetanustoxin AB
Choleratoxin AB5 ADP Ribosylierung
Shigatoxin AB5 Schneidet 28S rRNA
Zn++ Protease
Anthraxtoxin LF A-B
Anthraxtoxin EF A-B Adenylat Zyklase

Clostridium botulinum

• ~900: Leo VI der Weise
(Byzanz) verbot Blutwurst.
• 1793: Ausbruch durch
Blutwurst in Wildbad.
• 1897: van Ermengem
isoliert anaerobes
Bakterium aus Schinken.
• Botulus: Wurst (lat.)

• 110 Fälle jährlich
• ~25% durch Nahrungsmittel
• ~72% Säuglingsbotulismus
• 3% Wundbotulismus

• AB Toxin
• Sieben Serotypen A-G
• A, B, E, & F sind toxisch für Menschen, C und D für Vögel und
Rinder, E für Vögel und Fische
• Leichte Kette aktiviert intrazellulär nachdem Proteasen die
rezeptorbindende schwere Kette abgeschnitten haben.
Botulinumtoxin C1

JAMA. 2001;285:1059-1070

JAMA. 2001;285:1059-1070

Vorher und
nachher

Vibrio cholerae

• Klassisches AB5 Toxin
• B Untereinheiten
multimerisieren zu einem
pentameren Ring
• Holotoxin bindet an
membranständigen
Rezeptor

Staphylococcus aureus

Superantigene verlinken T-Zellrezeptor mit MHC
• Globulär
• Hitzebeständig
• Säurebeständig
• T-Zell-Überaktivierung
• massive Cytokin-
Freisetzung
• Toxic shock syndrome

Pathogen-Evolution als
trophische Interaktion

Microbiol Mol Biol Rev. 2004, 68(3): 560–602.

A B C
E. coli K12
A B C
E. coli O157:H7
Fremde DNA
= Locus für Lyse der Enterocyten
Verantwortlich für die Pathogenität:
Ermöglicht Adhäsion und Toxin Produktion
Harmloses Bakterium wird pathogen durch DNA
Transfer von anderen Bakterienstämmen

Microbiol Mol Biol Rev. 2004, 68(3): 560–602.

V. cholerae wird aus dem
Darm konkurriert

Microbiol Mol Biol Rev. 2004, 68(3): 560–602.

C. botulinum kann nur im toten
Wirt mit Darmflora konkurrieren

Nature Reviews Microbiology 6, 387-394 (May 2008) | doi:10.1038/nrmicro1889

Spinnen – Bakterien

Loxosceles Corynebacterium:
Gram-positive, facultativ anaerobe, nicht-
sporulierende Stäbchen. Actinobacteria.
Bioinformatics 2006 22(3):264-268; doi:10.1093/bioinformatics/bti811

• Nicht nur makrobiologische sondern auch
mikrobiologische Ökosysteme zunehmend
untersucht
• Ökologie der Mikroben hilft deren Toxikologie
zu verstehen
• Nutzung dieses Verständnisses für Vorbeugung
(Probiotik) und Therapie
• Ausbalancierte mikrobielle Ökosysteme halten
Toxin-Produzenten in Schach

Begründer der Toxikologie
Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim (Paracelsu
„All Ding' sind Gift und nichts ohn' Gift;
allein die Dosis macht,
dass ein Ding kein Gift ist.“