Escherichia coli

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Escherichia coli
E. coli (elektronenmikroskopische Aufnahme)
Systematik
Abteilung: Proteobacteria Klasse: Gammaproteobacteria Ordnung: Enterobacteriales Familie: Enterobacteriaceae Gattung: Escherichia Art: Escherichia coli
Wissenschaftlicher Name
Escherichia coli
(Migula 1895) Castellani & Chalmers 1919

E. coli in der Gram-Färbung

10.000-fache Vergrößerung von E. coli durch Tieftemperatur-Elektronenmikroskopie

Escherichia coli (abgekürzt E. coli) ist ein gramnegatives, säurebildendes (Lactose verwertendes), stäbchenförmiges und peritrich begeißeltes Bakterium, das im menschlichen und tierischen Darm vorkommt. Auf Grund dessen gilt es auch als Fäkalindikator. Es gehört zur bedeutenden Gattung Escherichia innerhalb der Familie der Enterobakterien (griech. „enteron“: Darm). In der menschlichen Darmflora ist es als Vitaminproduzent, insbesondere Vitamin K, bekannt. Die Spezies ist normalerweise nicht krankheitsauslösend jedoch existieren auch zahlreiche verschiedene pathogene Stämme. Es zählt zu den häufigsten Verursachern von menschlichen Infektionskrankheiten. Benannt wurde es 1919 nach seinem Entdecker Theodor Escherich. Coli ist der lateinische Genitiv von colon (Kolon), einem Teil des Dickdarms. Die Genomsequenz einiger Stämme ist vollständig aufgeklärt. Als Modellorganismus zählt es zu den am besten untersuchten Prokaryoten.

Merkmale

E. coli hat die Form gerader Stäbchen mit den Maßen 1,1–1,5 × 2,0–6,0 Mikrometer lebend und 0,4–0,7 × 1,0–3,0 Mikrometer getrocknet und gefärbt. Es gehört zu den fakultativ anaeroben Mikroorganismen und besitzt die Fähigkeit, Energie sowohl durch die Atmungskette als auch durch „Gemischte Säuregärung“ zu gewinnen. Das Bakterium dient als Anzeiger (Indikator) für fäkale Verunreinigungen, zum Beispiel von Wasser. Es veranlasst ein dauerndes Training des Mukosa-Immunsystems und fördert die Produktion von sekretorischem Immunglobulin A und produziert Vitamin K. Das Bakterium besiedelt bevorzugt rohes Fleisch, Rohmilch, Käse und (mit Fäkalien verunreinigte) pflanzliche Lebensmittel.

Die verschiedenen Serotypen von E. coli erschweren die Immunantwort. Man unterscheidet drei Gruppen von Serotypen: „O“ für die Lipopolysaccharide, „H“ (von „mit Hauch wachsende Bakterien“) für die Flagellen und eventuell „K“ für die Kapsel. Es gibt etwa 180 „O“-Serogruppen und etwa 50 „H“-Typen bei E. coli.

Dehydrogenase von E. coli

Bewegung

Diese Organismen können sich gezielt in Richtung einer Anhäufung von Nährstoffen bewegen. Andererseits ist es ihnen auch möglich, Säuren und hohen Salzkonzentrationen auszuweichen, die sie eventuell schädigen könnten. Zunächst schwimmen sie dabei in irgendeine Richtung und messen zugleich eine mögliche Veränderung der Nährstoffkonzentration. Im Falle einer Erhöhung derselben bewegen sich die Bakterien lange anhaltend in der eingeschlagenen Richtung. Bei einer Verringerung wird diese Bewegungsrichtung früher geändert. Deshalb gleicht ihre Bewegungsspur insgesamt einer Zickzacklinie.

Die Registrierung der Nährstoffe erfolgt durch etwa 15.000 Rezeptormoleküle, welche sich an den Enden der ungefähr zwei Mikrometer langen Individuen befinden. Sollten diese Rezeptoren Nährstoffe feststellen, schicken sie Signale zu sogenannten Motorproteinen, welche etwa 20 Mikrometer lange fadenförmige Geißeln (auch Flagellen genannt) drehen. Drehen sich diese Fäden gegen den Uhrzeigersinn, so wickeln sie sich zu einer Wendel auf und diese wirkt als Propeller. Wenn sie sich jedoch in entgegengesetzter Richtung drehen, dann sind die Flagellen in verschiedene Richtungen gerichtet, das Bakterium taumelt und ändert dadurch seine Ausrichtung im Raum.

Chemotaxis

E. coli kann sich in einem Konzentrationsgefälle gerichtet bewegen. So kann es sich in Richtung einer höheren Nährstoffkonzentration bewegen oder auch weg von einer höheren Schadstoffkonzentration. Diese Art der Bewegung wird als Chemotaxis (chemisch gesteuerte Bewegung) bezeichnet.

Physiologie der Chemotaxis

2005 haben Forscher herausgefunden, wie die Signalübertragung zur Steuerung der Bewegungsrichtung funktioniert. Das Schwimmverhalten von E. coli wird durch das Antwortregulatorprotein CheY gesteuert. Ist eine Phosphatgruppe an das CheY-Protein gebunden, entspricht diese Tatsache dem Signal „Die gegenwärtige Richtung ist schlecht.“ Fehlt dort das Phosphat, wird damit das Gegenteil signalisiert. Abhängig von der Anzahl der phosphorylierten CheY-Proteine drehen die Motorproteine in die eine oder in andere Richtung. Ist viel phosphoryliertes CheY am Motor gebunden, dann dreht er sich im Uhrzeigersinn, was die Zelle taumeln lässt. Ist wenig phosphoryliertes CheY am Motor gebunden, dann dreht er sich im Gegenuhrzeigersinn, was zu einer vorwärtsgerichteten Schwimmbewegung führt. Das Bakterium ist in der Lage, das Signal der Rezeptoren um den Faktor 100 intern zu verstärken.

Die Aufnahme der Umweltreize erfolgt durch so genannte methylierbare Chemotaxisproteine (methyl accepting chemotaxis proteins; MCPs), welche über Transmembranhelices in der Membran verankert sind. Die MCPs besitzen eine periplasmatische Bindestelle für Chemikalien sowie eine intrazelluläre Signaldomäne und intrazelluläre Methylierungsstellen. Durch Bindung von Chemikalien entsteht in den MCPs ein Signal, das sich über die Membran hinweg fortpflanzt und von der Signaldomäne der MCPs weitergeleitet wird. Die Weiterverarbeitung des Signals erfolgt durch ein Zweikomponentensystem bestehend aus einer Histidinkinase CheA und einem Antwortregulatorprotein CheY. Auf dieser Ebene erfolgt die Integration von Reizen verschiedensten Ursprungs (pH-Wert, Sauerstoff- oder Nährstoffkonzentration) in ein einziges, eindeutiges Signal. Zwei Moleküle CheA binden über zwei Adaptermoleküle CheW an ein MCP-Dimer. Wird ein Schreckstoff an ein MCP gebunden, so wird die Sensorkinase CheA aktiviert. Sie wird zu CheA-P autophosphoryliert und phosphoryliert ihrerseits CheY zu CheY-P. CheY-P diffundiert dann zum Flagellarmotor und löst dort Rotation des Flagellarmotors im Uhrzeigersinn aus, was die Zelle taumeln lässt. Um die Akkumulation von CheY-P zu verhindern beschleunigt CheZ den Zerfall von CheY-P. Wird ein Lockstoff an ein MCP gebunden, wird die CheA Aktivität unterdrückt, die Zahl an CheY-P Moleküle sinkt und damit die Häufigkeit des Taumelns.

Dieser Mechanismus erklärt aber noch nicht, warum die Zelle immer nur auf Stoffgradientenänderungen von Lock- bzw. Schreckstoffen anspricht. Es muss daher eine Adaptation stattfinden. Die Adaptation erfolgt durch Methylierung bzw. Demethylierung der MCP-Methylierungsstellen. Die Methyltransferase CheR überträgt durch das Methylierungsreagenz S-Adenosylmethionin Methylgruppen auf Glutamatreste. Aktiviertes CheA phosphoryliert nicht nur sich selbst und CheY, sondern auch die Methylesterase CheB zu CheB-P. CheB-P demethyliert die Methylbindungsstellen. Bei einer gleichbleibenden Lockstoffkonzentration ändert sich im zeitlichen Mittel der Methylierungsgrad der MCPs nicht und die MCPs geben kein Signal ab. Steigt die Lockstoffkonzentration, wird CheA deaktiviert, die Methylesterase damit nicht aktiviert und die Methyltransferase überträgt zusätzliche Methylgruppen auf die MCPs, welche die CheA-Aktivität wieder normalisieren. Sinkt die Lockstoffkonzentration, sind die MCPs sozusagen übermethyliert, die MCPs aktivieren somit CheA, die aktive Methylesterase CheB-P wird gebildet und die Methylgruppen an den Glutamatresten werden in Form von Methanol abgespalten.

Pathogenität

E. coli ist Teil der Darmflora. E. coli teilt sich sehr schnell (unter optimalen Bedingungen alle 20 Minuten), so dass andere Mikroorganismen, die dem Körper schaden könnten, sich nicht ausbreiten können. Außerhalb des Darms jedoch kann E. coli Infektionen hervorrufen, da es sich „am falschen Fleck“ befindet (fakultativ pathogen), etwa Harnwegsinfekte, eine Bauchfellentzündung (beispielsweise präoperativ nach Perforation eines Sigmadivertikels, seltener allein postoperativ) oder Hirnhautentzündung bei Neugeborenen (Infektion während der Geburt). Zum Anheften an bestimmte Zellen der Harnwege besitzen die Bakterien so genannte P-Fimbrien oder PAP (pyelonephritis assoziierte Pili). Weiterhin kommen Fimbrien und Hämolysine vor. Das Kapselantigen K1 von bestimmten Kapsel tragenden E. coli ist an der Neugeborenenmeningitis beteiligt (siehe unten).

Einige Stämme von E. coli sind für den Menschen darmpathogen (krankheitsauslösend im Sinn einer Darmerkrankung), da sie Mechanismen besitzen, die dem Körper Schaden zufügen können. Hier unterscheidet man einige Subtypen (Pathovare), die unterschiedliche Pathogenitätsfaktoren besitzen:

• EHEC enterohämorrhagische E. coli
• EPEC enteropathogene E. coli
• ETEC enterotoxische E. coli
• EIEC enteroinvasive E. coli
• EAEC enteroaggregative E. coli
• DAEC diffus adhärente E. coli.

Die oben in der Einleitung genannten Erkrankungen werden teilweise auch den folgenden Pathovarnamen zugeordnet:

• UPEC uropathogene E. coli
• SEPEC Sepsis auslösende E. coli
• MENEC Meningitis auslösende E. coli

Ein neuartiger Stamm soll nach Ergebnissen der Cornell University in Ithaca, NY (USA) eng mit der chronisch entzündlichen Darmerkrankung Morbus Crohn verknüpft sein.

Pathogenese

Bestimmte Stämme haben die Fähigkeit ein Toxin zu bilden. Das Shigatoxin wirkt enterotoxisch und cytotoxisch und zeigt Ähnlichkeiten mit dem von Shigellen gebildetem Toxin. Shigatoxin produzierende E. coli werden STEC abgekürzt. Sie können zu wässrigen Durchfällen, Bauchkrämpfen und Erbrechen führen. Analog werden Verotoxin produzierende E. coli VTEC abgekürzt. Enterohämorrhagische E. coli sind STEC mit zusätzlichen Pathogenitätsfaktoren. Durch EHEC verursachte Darmerkrankungen wurden vornehmlich unter dem Namen EHEC-Colitis (enterohämorrhagische Colitis) bekannt. EHEC-Infektionen zählen zu den häufigsten Ursachen für Lebensmittelvergiftungen. Infektionsquellen sind Wiederkäuer wie Rind, Schaf und Ziege. Bei anderen Tierarten sind die Infektionen deutlich geringer. In der Infektkette sind Rindfleisch und Rohmilch am häufigsten. Eine Infektion kann jedoch auch durch Tierkontakt oder durch Verschlucken von Badewasser erfolgen. Der Erreger ist hoch infektiös: 10–100 Individuen des EHEC sind für eine Erkrankung ausreichend weshalb auch Schmierinfektionen von Mensch zu Mensch häufig sind. Es kann dabei zu den Krankheitsbildern der thrombotisch-thrombozytopenischen Purpura (TTP) und des hämolytisch-urämischen Syndroms (HUS) kommen. Gefürchtet ist vor allem HUS aufgrund der Möglichkeit an einem terminalen Nierenschaden zu sterben. Hierbei sind alle Altersgruppen betroffen, jedoch vor allem Kinder unter 6 Jahren. Das Nierenversagen verläuft in 10-30 % der Fälle mit dem Tod des Patienten innerhalb eines Jahres nach Beginn der Erkrankung.

Der Stamm ETEC ist ein häufiger Erreger der Reisediarrhoe (Montezumas Rache). Grund für diese Erkrankung ist ein hitzelabiles Enterotoxin vom A/B Typ (LT I und LT II), sowie ein hitzestabiles Enterotoxin (ST). Dieses 73 kDa große Protein besitzt zwei Domänen, von denen eine an ein G-Gangliosid der Zielzelle bindet (Bindende Domäne). Die andere Domäne ist die Aktive Komponente, die ähnlich dem Choleratoxin (ca. 80% Genhomologie) die Adenylatcyclase aktiviert. Das ca. 15-20 Aminosäuren langes ST aktiviert die Guanylatcyclase. Die Aktivierung der Adenylatcyclase und der Guanylatcyclase endet in einer sekretorischen Diarrhoe, bei der viel Wasser und Elektrolyte verloren gehen. Die genetische Information erhält das Bakterium von einem lysogenen Phagen durch Transduktion.

Bei Säuglingen löst der Stamm EPEC Durchfall aus und führt zu Gedeihstörungen.

Auch EIEC zerstören die Darmschleimhautzelle, indem sie in sie eindringen und das Krankheitsbild einer Bakterienruhr imitieren.

Therapie

Die Therapie sollte immer gezielt nach Antibiogramm erfolgen. Gyrasehemmer, Aminopenicilline und – meist besser wirksam – Cephalosporine sind die Mittel der Wahl. Für Cotrimoxazol wurde bei EHEC eine Steigerung der Toxinbildung beschrieben, so dass hier auf dieses Therapeutikum verzichtet werden sollte. Bei der Dauer der Therapie spielen die Schwere der Infektion sowie anatomische Anomalien eine Rolle.

Im Fall der häufigen Reisedurchfälle ist in erster Linie der Wasser- und Elektrolytverlust zu ersetzen, eine antibiotische Therapie ist selten notwendig. Grundsätzlich gilt jedoch, dass die Durchfälle zur Ausscheidung der Erreger entscheidend beitragen und daher bei unkomplizierter Reisediarrhoe (wie oben erwähnt: „Montezumas Rache“) nicht künstlich unterbunden werden sollten. Zum Ausgleich des Wasser- und Salzverlustes sind in Apotheken Pulvermischungen erhältlich, die in (sauberem, also beispielsweise abgekochtem) Wasser aufgelöst werden können und in der Regel völlig ausreichend sind. Diese Mischungen werden auch als orale Rehydratationslösungen (englisch: Oral Rehydratation Solution, ORS) bezeichnet und enthalten vor allem Natriumsalze und Zucker (Glucose), daneben Kaliumsalze und zum Teil Bicarbonat oder Citrat.

Prophylaxe

Seit Ende 2004 gibt es in Deutschland einen zugelassenen Impfstoff (Dukoral). Dieser imitiert die Beta-Untereinheit des hitzelabilen ETEC-LT (siehe oben) und gleichzeitig die ähnliche Beta-Untereinheit des Cholera-Toxins. Auf diesem Wege bildet der Körper eine Immunantwort gegen beide Toxine aus (Kreuzreaktivität).

Labordiagnose

Der Nachweis dieser coliformen Bakterienart erfolgt in einer ersten Stufe durch Ausnutzung ihrer physiologischen Eigenschaften, da eine mikroskopische Untersuchung aufgrund der Vielzahl bekannter ähnlicher Arten ungeeignet ist. Dazu wird eine Stichprobe des Untersuchungsgutes auf MacConkey-Agar aufgebracht, wenn in der Probe eine hohe Bakterienzahl erwartet wird (z. B. Stuhlprobe). Wird eine geringe Bakterienzahl erwartet (z. B. Lebensmittelprobe), so wird zuvor ein komplexen Nährmedium mit der Probe inokuliert zwecks Bakterienanreicherung. Dunkelrote Bakterienkolonien von dem MacConkey-Agar können mit dem IMViC-Test auf ihre biochemischen Grundeigenschaften getestet werden. Zur Identifizierung der Subtypen werden dann in einer zweiten Stufe serologische Verfahren angewendet. Schnelltests basieren auf ELISA- oder PCR-Verfahren.

Tiermedizin

E. coli ist für eine Vielzahl von Erkrankungen bei Tieren verantwortlich. Spezifische Krankheitsbilder sind:

• Coliruhr der Saug- und Absatzferkel
• Coliseptikämie der Kälber und Lämmer
• Coliseptikämie des Geflügels
• Colimastitis der Kühe

E. coli ist der Keim, der am häufigsten im Zusammenhang mit krankhaften Prozessen im Rachenraum von Hunden und Katzen in Erscheinung tritt.

Forschung

Schema der Zellteilung von E. coli

• Aus E. coli gelang Jonathan Beckwith am 23. November 1969 als erstem die Isolierung eines einzelnen Gens. Das relativ kleine Genom dieses Prokaryoten (ca. 4,65 ·10⁶ Basenpaare und enthält etwa 5000 Gene) wurde als eines der ersten vollständig sequenziert.

• E. coli ist die in der Molekularbiologie am meisten verwendete Bakterienart. Ihr Genom ist entschlüsselt worden und viele ihrer Einzelstämme wurden isoliert. Seit 1988 führte Richard Lenski ein Langzeitexperiment über die Evolution von E. coli durch.

• Im Zuge der GeneSat-1 Mission wurden am 16. Dezember 2006 E. coli mittels eines CubeSat in den Orbit befördert, um genetische Änderungen aufgrund von Strahlungen im All und der Schwerelosigkeit zu untersuchen.

• Um E. coli in biotechnologischen Anwendungen leichter handhaben zu können, züchtete ein Team um Frederick Blattner (University of Wisconsin) einen Stamm, dessen Genom gegenüber natürlich vorkommenden Varianten um ca. 15 Prozent verkleinert wurde, und der dennoch lebens- und fortpflanzungsfähig ist. Hierfür wurden zwei unterschiedliche E.-coli-Stämme verglichen, und diejenigen Gene entfernt, die kein Homolog im jeweils anderen Stamm haben und somit entbehrlich scheinen.

Neuere Forschungen von Professor James Liao und seinem Team von der Universität von Kalifornien, Los Angeles (UCLA) zeigen, dass sich genetisch veränderte E. coli nutzen lassen, um Biotreibstoffe in Form von Isobutanol und anderen längerkettigen Alkoholen, wie etwa 1-Butanol, 2-Phenylethanol oder verzweigten Pentanolen aus Glucose herzustellen.

XL1-Red

E. coli XL1-Red ist ein Stamm, der in der Molekularbiologie und Gentechnik zur ungerichteten Mutagenese genutzt wird. Durch Defekte im DNA-Reparaturmechanismus zeigt der Stamm eine 5000-fache Mutationsrate gegenüber dem Wildtyp. Die Defekte im DNA-Reparaturmechanismus gehen auf drei Mutationen der genomischen DNA zurück. Das Gen MutS codiert für ein Protein, welches bei der Error Prone Reparatur eine Rolle spielt. Durch die Mutation erfolgt keine Fehlbasenreparatur nach der DNA-Replikation. MutD löst einen Defekt der 3'-5'-Exonukleaseaktivität der DNA-Polymerase III aus. MutT ist für die Unfähigkeit zur Hydrolyse des Basenanalogons 8-oxoGTP verantwortlich. Da die Mutationen nur auf den defekten DNA-Reparaturmechanismus zurückzuführen sind, werden zur Mutationsauslösung weder Mutagene noch Karzinogene benötigt. Die Generierung von Gen-Mutationen ist ein klassisches Mittel in der biomedizinischen Forschung, um generelle oder Teil-Funktionen des entsprechenden Gens zu erforschen.

Escherichia coli in der industriellen Anwendung

E. coli ist aufgrund seines schnellen und robusten Wachstums ein weit verbreiteter Organismus in bio- bzw. gentechnologischen Verfahren, wo er als Wirt für Klonierungsvektoren, wie das Plasmid pBR322 eingesetzt wird. Ferner stammt aus dem Genom von E. coli das Restriktionsenzym EcoRI, das in der Gentechnik weiter Verwendung findet.

In der Biotechnologie wird mittels genetisch veränderten E. coli in industrieller Biosynthese großtechnisch Insulin produziert und das derart hergestellte Insulinpräparat in der Behandlung von Diabetes eingesetzt. Hierfür ist E. coli besonders geeignet, da es zur Darmflora des Menschen gehört und so gut wie keine Allergien verursacht. Auch in der industriellen Herstellung von Aminosäuren, Interferon oder dem menschlichen Wachstumshormon, sowie weiterer Feinchemikalien, Enzyme und Arzneistoffe, werden gentechnisch veränderte E. coli Bakterien verwandt. So wurden neun von 31 therapeutischen Proteinen, die im Zeitraum von 2003 bis 2006 eine Arzneimittelzulassung erhalten haben, in E. coli hergestellt.

Literatur

• Alfred-Nissle-Gesellschaft e. V. (Hrsg.): Darmflora in Symbiose und Pathogenität. 4. Interdisziplinäres Symposium, Berlin 10.–11. November 2000. Alfred-Nissle-Gesellschaft e. V. Hagen 2001 (kostenlos bei Alfred-Nissle-Gesellschaft e. V., Brüningstr. 16, 58089 Hagen, E-Mail: office@a-nissle-ges.de).
• Gabriele Blum-Oehler (Hrsg.): Escherichia coli. Facets of a versatile pathogen, on the occasion of the 150th birthday of Theodor Escherich (1857 - 1911); Leopoldina Symposium, Bildungszentrum Kloster Banz, Bad Staffelstein, Germany, October 9 to 12, 2007. Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina in collaboration with European Molecular Biology Organization (EMBO) and the Federation of European Microbiological Societies (FEMS). In: Nova acta Leopoldina N.F., Band 98, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 2008, ISBN 978-3-8047-2519-5.
• Clemens et al.: Field trial of oral cholera vaccines in Bangladesh. Results from three-year follow up, Lancet 1990; 335, S. 270–273
• Gruss et. al. (Hrsg.): Industrielle Mikrobiologie. Ausgewählte Verfahren und Perspektiven für die Zukunft, 3. Auflage, Spektrum, Heidelberg 1987, ISBN 3-922508-25-1.
• Reinhard Piechocki: Das berühmteste Bakterium. 100 Jahre Escherichia-coli-Forschung. In: Wir und die Natur. Urania, Leipzig / Jena / Berlin 1989, ISBN 3-332-00278-3.
• Weinke: Prävention von Reisediarrhoen. In: Flug- und Reisemedizin. Thieme, Stuttgart, April 2004, S. 12–13, ISSN 0947-7616.
• Escherich, T. "Die Darmbakterien des Neugeborenen und Säuglings" Fortschr. Med. (1885) 3:515-528,547-554.
• Escherich, T. Die Darmbakterien des Säuglings und ihre Beziehungen zur Physiologie der Verdauung (1886)

Weblinks

Commons: Escherichia coli – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• EcoliWiki englischsprachiges Wiki der Texas A&M University

Genomik (englisch)

• EcoCyc: Enzyklopädie von E. coli -Genen und Stoffwechsel
• coliBASE: eine vergleichende Genomdatenbank für E. coli
• EchoBASE: eine integrierte post-genomische Datenbank für E. coli
• Der E. coli Index: Ressourcen für E. coli als Modellorganismus