Granulibacter bethesdensis

Granulibacter Bethesdensis
Systematik
Abteilung: Proteobacteria Klasse: Alphaproteobacteria Ordnung: Rhodospirillales Familie: Acetobacteraceae Gattung: Granulibacter Art: Granulibacter Bethesdensis
Wissenschaftlicher Name
Granulibacter Bethesdensis
Dr. David E. Greenberg, 2006

Granulibacter nethesdensis ist ein gramnegativ, auf Sauerstoff angewiesenes (aerobes) und opportunistisch krankheitserregendes Stäbchen-Bakterium, welches der Familie der Acetobacteraceae angehört. Es ist das einzige zurzeit (2013) bekannte Bakterium aus dieser Familie mit humanpathogenem Potenzial welches die Henle-Koch-Postulate erfüllt.

Die Bezeichnung „Granulibacter bethesdensis“ leitet sich von den Begriffen „Granulibacter“ (Stäbchenförmiges Bakterium das Granulome hervorruft) und „Bethesdensis“ (Bethesda, Maryland, USA) ab. Im Jahre 2003 isolierten Dr. Greenberg und seine Kollegen dort erstmals das Bakterium aus den Lymphknoten eines an septischer Granulomatose erkrankten Patienten.

Eigenschaften

Morphologie

Granulibacter bethesdensis ist stäbchenförmig bis kugelförmig (kokkoid, hergeleitet von Coccobacillus (cocca = sphärisch ; bacillus = länglich). Es zeichnet sich dadurch aus kürzer und breiter als durchschnittliche Stäbchenbakterien zu sein. Der Mikroorganismus besitzt keine Flagellen und ist somit primär bewegungsunfähig. Des weiteren bildet er keine Endosporen aus um ungünstige Umweltbedinungen zu überstehen. Jedoch ist eine Glykokalyx vorhanden, welche zur Adhäsion an Oberflächen und zur Vermeidung von Phagocytose durch den Wirt dient. Als gramnegatives Bakterium besitzt das Granulibacter bethesdensis zudem eine innere Membran und eine Zellwand, bestehend aus einer einschichtigen Mureinhülle und einer äußeren Membran um den Organismus zu schützen. Zudem bildet es eine schützende Kapsel aus Zuckermolekülen, welche nochmals zusätzlichen Schutz gewährt. Außerdem erkennt man bei Koloniebildungen die gelbliche Pigmentierung der Bakterien.

Struktur

Das komplette Genom des Bakteriums wurde erstmals am 24. September 2006 in den Rocky Mountain Laboratories, National Institute of Allergy and Infectious Diseases" isoliert und analysiert. Hierzu wurde die 16S-rRNA sequenziert um sie mit den Genen anderer Bakterien mittels einer Datenbank zu vergleichen. Somit wurde sichergestellt dass es sich bei Granulibacter bethesdensis auch tatsächlich um ein neuentdecktes Bakterium handelt. Da keine Übereinstimmungen mit bekannten Bakterien festgestellt wurden, bekam Granulibacter bethesdensis seine eigene Klassifzierung als humanpathogenes Bakterium.

Das Genom besteht aus 2498 Genabschnitten mit insgesamt 2,708,355 Nucleotiden die sich zu 59,1 % aus Guanin + Cytosin Basenpaarungen aufbauen. Es besitzt zudem ein einzelnes zirkuläres Chromosom welches 2,7 Mbp (Megabasenpaaren) lang ist. Dies entspricht einer Informationsmege von ca. 5,4 bit.

Die Ursache der neuerrungenen Virulenzfaktoren bei Granulibacter bethesdensis, das zur Zeit einzige bestätigte Mitglied der Acetabacteraceae-Familie welches humanpathogen wirkt, besteht vermutlich in einem vergangenen horizontalen Gentransfer. Gentransfer dieser Art kommen vor allem bei gramnegativen Bakterien vor. Hierzu werden durch F-Pili (Sexpili) zwischen den beiden Bakterien eine Plasmabrücke aufgebaut, damit DNA untereinander ausgetauscht werden kann. Es wird davon ausgegangen, dass die pathogenen Apomorphien bei Granulibacter bethesdensis aus einem vergangenen Gentransfer mit dem Bakterium Methylobacterium extorquens stammen.

Auf Grund der bei einer Immunreaktion entstehenden Antigen-Antikörper-Komplexe kann man die Präsenz solcher Bakterien experimentell beweisen. Zu diesen Nachweismethoden gehören unter anderem:

• ELISA-Test (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay)
• Western Blot

Lebensweise

Granulibacter bethesdensis gehört zu der Familie der Acetobacteraceae (Essigsäurebakterien) welche primär in Früchten, Pflanzen, Boden und Wasser omnipräsent vertreten sind, wobei man die höchste Vorkommensrate in den Tropen vorfindet. Diese Mikroorganismen sind aerobe Bakterien und benötigen somit Sauerstoff um ihren Metabolismus zu betreiben. Anders als bei den meisten Aceobacteraceae, deren optimale Wachstumstemperatur bei 30 °C liegt, wächste Granulibacter bethesdensis am effektivsten bei 35 – 37 °C. Diese, für humanpathogene Bakterien übliche, Umgebungstemperatur ähnelt der Körpertemperatur des Menschen die bei ca. 36 °C liegt. Über die Temperatur hinaus bestehen die optimalen Wachstumsvoraussetzungen des Granulibacter bethesdensis bei einem pH-Wert von 5.0 – 7.0. Eine hohe Konzentration an Glucose wirkt vorteilhaft. Daher lässt sich Granulibacter bethesdensis besonders gut auf Glutamat- und Mannitol-Agar kultivieren.

Die virulente Wirkung von Granulibacter bethesdensis tritt vor allem opportunistisch, also bei gesundheitlich geschwächten Induvidien, auf. Nach heutigem Wissensstand siedeln sie sich vor allem vermehrt in den Lymphknoten von Personen an, welche an einer Immunschwäche leiden (z.B aufgrund von septischer Granulomatose oder AIDS).

Stoffwechsel

Als aerobes Bakterium bezieht Granulibacter bethesdensis Energie aus der Oxidation von Glucose. Im Gegensatz zu anderen Acetabacteraceae, welche Alkohole und Polysaccharide oxidieren können, produziert es zudem durch die sogenannte „subterminale Oxidation“ (= unvollständige Oxidation) aus Ethanol über Acetaldehyd (Ethanal) letztendlich Essigsäure.

${\ce {C2H5OH -> CH3CHO -> CH3COOH}}$

Außerdem zeichnet sich das Bakterium durch einen Methylotrophischen Charakter aus. Es besitzt somit die Fähigkeit Methanol für den Stoffaufbau und als Energiequelle zu verwenden. Als Katalase positives Bakterium setzt es das, bei der Phagocytose des Wirtes verwendete, Wasserstoffperoxid (H₂O₂) zu Sauerstoff (O₂) und Wasser (H₂O) um und neutralisiert so dessen schädigende Wirkung.

${\ce {2H2O2 -> 2H2O + O2}}$

Der Nachweis für Oxidase ist dagegen negativ. Der für Urease fiel in schwachem Maße positiv aus. Aus der Spaltung von Urease kann das Bakterium Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Ammoniak (NH₃) als eine Art zusätzliche Schutzschicht oder zur pH-Regulation gewinnen.
Diese zahlreichen metabolischen Reaktionen verleihen dem Bakterium industrielle und biologische Bedeutung.

Da das Bakterium durch Oxidation Essigsäure herstellt, ist es besonders nützlich bei der Gewinnung von Essig und der Fermentierung von Wein. Es kommt auch andersweitig zum Einsatz, da es Ethanol, Methanol und Formaldehyde zu nicht giftigen Produkten, wie z.B CO₂, Wasser oder schwächere Säuren umwandeln kann.
Hinsichtlich der Umwelt ist zu erwähnen dass es in vielen Pflanzen und Früchten enthalten ist und zum Großteil im Boden vorkommt um dort organische Abbauprodukte durch Lyse zu degradieren.

Pathogenität und Virulenz

Im Juli 2003 wurde ein 39-jähriger Mann mit septischer Granulomatose (CGD) in das „National Institute of Health“ eingeliefert, da er bereits seit über 3 Monaten an immer wiederkehrendem Fieber, Schweißausbrüchen und starkem Gewichtsverlust litt. Da in erster Linie von einem bakteriellen Infekt als Ursache ausgegangen wurde, verabreichte man ihm gängige antimikrobakterielle Medikamente, doch blieb eine Besserung der Symptome aus. Dr. David E. Greenberg, ein Arzt welcher im NIAID tätig war, entnahm ihm bei einer Biopsie mehrere Lymphknoten um diese gründlichen Untersuchungen zu unterziehen. Die Ergebnisse dieser Tests besagten, dass sich in den Lymphknoten ein Bakterium festgesetzt hatte über dessen Art man sich noch nicht einig war. Nachdem das Bakterium isoliert wurde und die Genesequenzierungen abgeschlossen waren, kam man zu dem Schluss dass es sich hierbei um ein neu entdecktes, humanpathogenes Bakterium handelt, welches die spezifische Immunschwäche des Erkrankten ausgenutzt hatte.

Septische Granulomatose

Es handelt sich hierbei um eine seltene Erbkrankheit, welche eine schwere Immunschwächung auslöst da die Funktion der neutrophilen Granulozyten schwerwiegend gestört ist. Die Neutrophilen binden im Normalfall durch eine fibrilläre Matrix Bakterien an sich um sie am fortbewegen zu hindern und sie durch Phagocytose zu verdauen. Die septische Granulomatose verursacht nun einen Defekt in der Phagocytose, sodass die Neutrophilen als Teil der Immunantwort nicht mehr zur Verfügung stehen. Der Defekt rührt daher, dass in den Neutrophilen die NADPH-Oxidase gestört ist. Im Normalfall wird in einer chemischen Reaktion aus NADPH Superoxid gebildet, welches wiederum in Wasserstoffperoxid und Hypochlorige Säure umgewandelt werden kann. Die Funktion dieser Verbindungen besteht darin, während der Phagocytose die Erreger zu zersetzen.

${\ce {NADPH + 2O2 <-> NADP+ + 2O2- + H+}}$

Da aber durch die septische Granulomatose diese Reaktion gestört ist, können die Granulozyten die aufgenommenen Krankheitserreger nicht mehr phagocytieren. Die Erreger verbleiben somit unbeschädigt in den Granulozyten und werden unentdeckt im Körper transportiert und können so andere Körperregionen und Organe befallen. Aufgrund dieser Anomalien sind die Betroffenen besonders anfällig für wiederkehrende Opportunisten, da sich jene ungehindert im Wirtskörper ausbreiten können. Erkrankte Personen leiden bereits seit frühem Kindesalter an nicht abklingenden Infektionen, sowie schweren Organschäden und sterben meist einen frühen Tod.

Virulente Faktoren

Granulibacter bethesdensis besitzt als gramnegatives Bakterium zusätzlich eine Mureinschicht und eine Kapsel aus Zuckermolekülen, welche ihm einen starken Schutz gegen die Phagocytose des Wirtes ermöglicht. Da das Bakterium zudem Katalase positiv ist, hat es ein sehr hohes humanpathogenes Potenzial, da es aufgrund seiner H₂O₂-Resistenz kaum phagocytiert werden kann. Zudem besitzt es eine sehr ausgeprägte Antibiotikaresistenz gegen viele unterschiedliche Antibiotika. Ein Großteil der Gene, welche diese Resistenzen codieren, weisem eine hohe Übereinstimmungen mit denen des Bakteriums Gluconobacter oxydans auf. Man geht aufgrund dieser genetischen Ähnlichkeit davon aus, dass die Resistenz von Granulibacter bethesdensis ebenfalls aus einem horizontalen Gentransfer zwischen den beiden Bakterien resultierte. Ebenfalls typisch für Pathogene Bakterien sind Adhäsine, die zur Adhäsion an Oberflächen (z.B Zellen) fähig sind. Auch diese sind in großer Vielzahl bei dem Bakterium vorhanden.

Symptome

Die Krankheit zeichnet sich durch regelmäßige bakterielle Infektionen, Fieber, Atemnot und Entzündungen aus. Typisch sind vor allem krankhafte Schwellungen und Entzündungen der Lymphknoten, sogenannte Lymphadenopathie. Eine Hepatosplenomegalie ist nicht selten, zudem ist Pneumonie eine der häufigstenen Krankheitsmerkmale. Auch kommt es häufig zur Bildung von Granulomen und anderen Abzessen auf der Haut. Diese Entzündungen können zu Verengungen im Verdauungstrakt und im Lungengewebe führen, sodass viele Patienten mit Schluck und Atembeschwerden kämpfen müssen. Weitere Anhaltspunkte sind unter anderem ein leicht erhöhter Gehalt an Neutrophilen und IgG, während die Anzahl der anderen Blutkörperchen (z.B Leukozyten) gleich bleibt, sowie das Auftreten von Anämien und Hämoglobinmangel.

Diagnostik

Die defekte Phagocytose der Neutrophilen kann man durch den NBT-Test (Nitroblau-Tetrazoliumchlorid) nachweisen. Er ist der wohl bekannteste Test, ist aber teilweise sehr ungenau da er viele partielle Defekte nicht nachweisen kann. Das Nitroblue-Tetrazoliumchlorid bindet sich an gesunde Granulozyten und färbt sie umso blauer, je höher deren Sauerstoffproduktion ist. Leidet ein Patient nun an septischer Granuolomatose, so bleibt diese Blaufärbung aus.

Zur Klärung der genauen genetischen Ursache werden die Exons 1 bis 13 des CYBB-Gens mithilfe von PCR aus der DNA amplifiziert und analysiert. Diese 13 Exons codieren für ein 570 Aminosäuren großes Membranprotein, welches eine wichtige Rolle für die NADPH-Oxidase und die Phagocytose spielt.

Therapie

Wenn die Krankheit bereits im frühen Kindesalter diagnostiziert wurde, kann man durch ein komplexes Impfprogramm gewisse Präventionen treffen. Durch die regelmäßigen Impfungen können zumindest die Infektionen durch gängige Bakterien und Grippen vermieden werden. Die Heilung an sich beruht eher auf der Bekämpfung der Symptome und so wird den Erkrankten täglich Antibiotika oder Gamma-Interferone verabreicht um bakterielle Infektionen möglichst rasch zu bekämpfen und so am Ausbreiten zu hindern. Diese andauernde Verabreichung von Antibiotika verleiht allerdings vielen Bakterien eine entsprechende Resistenz. Im späteren Verlauf der Krankheit ist es zudem nötig die entstandenen Granulome und Abzesse chirurgisch zu entfernen um weitere Entzündungen zu verhindern. Zu der Therapie gehört zudem dass sich die Erkrankten von allen potenziellen Erreger-Ansammlungen fernhalten, wie z.B Bauernhöfe, Komposthaufen oder Schimmel. Auch Krankenhäuser sind für die Betroffenen eine Gefahr, da sich dort besonders viele Keime befinden.

Die momentan effektivste Heilmethode für die septische Granulomatose wird bisher durch Blutstammzelltransplantationen gewährt, da die Heilung dadurch bei über 90 % liegt. Jedoch muss man mit schweren Komplikationen rechnen, wie z. B. starken Abstoßreaktionen.

Weblinks

• Microbewiki
• microbewiki.kenyon.edu, 23. Januar 2013
• plospathogens.org, 22. Januar 2013
• NCBI
• ijsb.sgmjournals.org, 22. Januar 2013
• jid.oxfordjournals.org, 18. Januar 2013
• iai.asm.org, 18. Januar 2013
• jb.asm.org, 18. Januar 2013
• sciencedirect.com, 18. Januar 2013
• img.jgi.doe.gov, 23. Januar 2013
• uniklinikum-essen.de, 24. Januar 2013

Literatur

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• David E. Greenberg, Stephen F. Porcella, Adrian M. Zelazny, Kimmo Virtaneva, Dan E. Sturdevant, John J. Kupko, Kent D. Barbian, Amenah Babar, David W. Dorward, Steven M. Holland: Genome Sequence Analysis of the Emerging Human Pathogenic Acetic Acid Bacterium Granulibacter bethesdensis. In: Journal of Bacteriology. Band 189, Nr. 23, Dezember 2007, ISSN 0021-9193, S. 8727–8736, doi:10.1128/JB.00793-07, PMID 17827295. 
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