Trotz des großen antimikrobiellen Potenzials der CRISPR-Cas-Systeme ist bisher wenig bekannt über die besten Einsatzmöglichkeiten der einzelnen Nukleasen. Aufgrund der fehlenden neuen Entdeckungen bzw. Entwicklung neuer Substanzen und der wachsenden Anzahl an Resistenzen widmeten sich Forschende des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) der Untersuchung der CRISPR-Nukleasen. Sie gehören zum bakteriellen Immunmechanismus, mit dem sich Bakterien gegen Viren (sogenannte Phagen) wehren.
Grundlage
Doch diese Abwehrmechanismen können nach einer Umprogrammierung auch genutzt werden, um Infektionen zu behandeln, da sie Mikroben allein auf Basis ihrer Gensequenz abtöten. Die aktuelle Studie untersucht diese CRISPR-Antimikrobiotika, insbesondere für verschiedene Nukleasen, Angriffspunkte und Bakterienstämme. Getestet wurde an Klebsiella pneumoniae, einem sogenannten ESKAPE-Bakterium, da es gegen mehrere Antibiotika resistent ist. „Klebsiella pneumoniae eignet sich besonders gut für eine Fallstudie, da es über viele Stämme mit unterschiedlichen Virulenz- und Resistenzeigenschaften verfügt“, sagt Chase Beisel, Koordinator der Studie. Insgesamt arbeiteten vier Länder, Deutschland, Frankreich, Kanada und Israel, gemeinsam an dieser Studie, um die Expertise zu CRISPR-Technologien, Klebsiella, Wirkstoffverabreichung durch Bakteriophagen, Hochdurchsatz-Screening und maschinelles Lernen zu bündeln.
Gleiche Genschere, unterschiedliche Auswirkungen
Das CRISPR-Cas-System zeigte sich als sehr ausgeklügelt: Eine CRISPR-RNA hilft, bestimmte DNA- oder RNA-Bereiche zu erkennen, sodass die entsprechende Nuklease (Cas), das Ziel zerschneiden kann. In der Studie konnten die Forschenden jedoch Unterschiede in der Effektivität feststellen. Nukleasen, die auf DNA abzielen, zeigten eine bessere Wirksamkeit als solche, die eine RNA als Ziel haben.
Zudem zeigte auch K. pneumoniae unterschiedlich starke Reaktionen auf die bestimmten CRISPR-Antimikrobiotika, obwohl dieselben Nukleasen für gleiche Angriffspunkte verwendet wurden. „Die variierende antimikrobielle Aktivität zwischen verwandten Stämmen war überraschend, wenn man bedenkt, dass wir die gleichen CRISPR-Konstrukte verwendet haben. Wir führen diesen Unterschied auf die Faltung der CRISPR-RNAs zurück, welche das DNA-Targeting, also die gezielte Veränderung eines Gens, steuern“, erläutert Elena Vialetto, Erstautorin der Studie. Die Ergebnisse sind ein Beleg dafür, dass sogar zwischen verwandten Stämmen die antibakterielle Wirkung variieren kann.
CRISPR gegen Resistenzen
Mithilfe eines genomweiten Screenings untersuchten die Forschenden, ob es Merkmale gibt, mit denen sich das Targeting der verschiedenen Stämme verbessern lässt. Die hier festgestellten Prinzipien und Parameter für das Design der CRISPR-Wirkstoffe dienten als Grundlage für einen Algorithmus zur Vorhersage der Effizienz der Wirkstoffe. Das letzte Element der Studie war der Transport der Wirkstoffe. Sie untersuchten, ob sich Bakteriophagen als Transportmittel für die CRISPR-Antimikrobiotika eignen. „Wir hoffen, dass diese Arbeit den Einsatz von CRISPR als maßgeschneidertes antimikrobielles Mittel im Kampf gegen Antibiotikaresistenzen noch weiter in den Fokus rückt“, resümiert Beisel.
Quelle: idw
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