Die klebrige Außenschicht von Pilzen und Bakterien, die sogenannte extrazelluläre Matrix (ECM), hat eine gelartige Konsistenz und dient als Schutzschicht. Laut einer aktuellen Studie der University of Massachusetts Amherst in Zusammenarbeit mit dem Worcester Polytechnic Institute, die in der Fachzeitschrift iScience veröffentlicht wurde, bildet die ECM einiger Mikroorganismen jedoch nur in Gegenwart von Oxalsäure oder anderen einfachen Säuren ein Gel. Da die ECM eine wichtige Rolle bei vielen Prozessen spielt – von Antibiotikaresistenzen über verstopfte Rohre bis hin zur Kontamination medizinischer Geräte –, hat das Verständnis, wie Mikroorganismen ihre klebrigen Gelschichten beeinflussen, weitreichende Konsequenzen für unser tägliches Leben.

„Ich habe mich schon immer für mikrobielle ECMs interessiert“, sagte Barry Goodell, Professor für Mikrobiologie an der University of Massachusetts Amherst und Hauptautor der Studie. „Oft wird die ECM als inerte, schützende Außenschicht betrachtet, die Mikroorganismen schützt. Sie kann aber auch als Transportweg für Nährstoffe und Enzyme in und aus mikrobiellen Zellen dienen.“
Die Beschichtung erfüllt mehrere Funktionen: Durch ihre Klebrigkeit können sich einzelne Mikroorganismen zu Kolonien oder „Biofilmen“ zusammenballen, und wenn dies in ausreichender Menge geschieht, können Rohre verstopfen oder medizinische Geräte kontaminiert werden.
Aber die Hülle muss auch durchlässig sein: Viele Mikroorganismen scheiden verschiedene Enzyme und andere Stoffwechselprodukte durch die extrazelluläre Matrix (ECM) in das Material aus, das sie fressen oder infizieren wollen (wie zum Beispiel verrottetes Holz oder Wirbeltiergewebe), und sobald die Enzyme ihre Arbeit getan haben, folgt die Aufgabe der Verdauung – die Nährstoffe werden durch die ECM wieder zurückgeführt.
Das bedeutet, dass die extrazelluläre Matrix (ECM) nicht nur eine inerte Schutzschicht ist; tatsächlich scheinen Mikroorganismen, wie Goodell und Kollegen gezeigt haben, die Viskosität ihrer ECM und damit deren Permeabilität steuern zu können. Wie gelingt ihnen das?
Bei Pilzen scheint es sich bei dem Sekret um Oxalsäure zu handeln, eine häufig vorkommende organische Säure, die natürlicherweise in vielen Pflanzen vorkommt. Wie Goodell und seine Kollegen herausfanden, nutzen viele Mikroorganismen die von ihnen sezernierte Oxalsäure offenbar, um sich an äußere Kohlenhydratschichten zu binden und eine klebrige, gelartige extrazelluläre Matrix (ECM) zu bilden.
Bei genauerer Betrachtung entdeckte das Team jedoch, dass Oxalsäure nicht nur die ECM-Produktion fördert, sondern diese auch reguliert: Je mehr Oxalsäure die Mikroben der Kohlenhydrat-Säure-Mischung hinzufügten, desto viskoser wurde die ECM. Eine höhere Viskosität der ECM behindert den Ein- und Austritt großer Moleküle in die Mikroben, während kleinere Moleküle weiterhin ungehindert aus der Umgebung in die Mikroben gelangen und umgekehrt können.
Diese Entdeckung stellt das traditionelle wissenschaftliche Verständnis darüber in Frage, wie die verschiedenen von Pilzen und Bakterien freigesetzten Verbindungen in die Umwelt gelangen. Goodell und Kollegen vermuten, dass Mikroorganismen in manchen Fällen verstärkt auf die Sekretion kleinster Moleküle angewiesen sind, um die Matrix oder das Gewebe anzugreifen, von dem sie zum Überleben oder zur Infektion abhängen. Dies bedeutet, dass die Sekretion kleiner Moleküle auch bei der Pathogenese eine wichtige Rolle spielen kann, wenn größere Enzyme die extrazelluläre Matrix der Mikroorganismen nicht durchdringen können.
„Es scheint einen Mittelweg zu geben“, sagte Goodell, „bei dem Mikroorganismen den Säuregehalt regulieren können, um sich an eine bestimmte Umgebung anzupassen. Dabei können sie größere Moleküle wie Enzyme zurückhalten, während kleinere Moleküle die extrazelluläre Matrix (ECM) problemlos passieren können. Die Modulation der ECM mit Oxalsäure könnte für Mikroorganismen ein Weg sein, sich vor antimikrobiellen Wirkstoffen und Antibiotika zu schützen, da viele dieser Medikamente aus sehr großen Molekülen bestehen. Diese Anpassungsfähigkeit könnte der Schlüssel zur Überwindung einer der größten Hürden in der antimikrobiellen Therapie sein, denn die Manipulation der ECM hin zu mehr Durchlässigkeit könnte die Wirksamkeit von Antibiotika und antimikrobiellen Wirkstoffen verbessern.“

„Wenn wir die Biosynthese und Sekretion kleiner Säuren wie Oxalat in bestimmten Mikroben kontrollieren können, dann können wir auch kontrollieren, was in die Mikroben gelangt, was uns ermöglichen könnte, viele mikrobielle Krankheiten besser zu behandeln“, sagte Goodell.
Im Dezember 2022 erhielt der Mikrobiologe Yasu Morita ein Stipendium der National Institutes of Health zur Unterstützung von Forschungsarbeiten mit dem Ziel, neue und wirksamere Behandlungsmethoden für Tuberkulose zu entwickeln.

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