Das antimikrobielle Potenzial von CRISPR-Cas-Systemen ist vielversprechend. Wie sich die unterschiedlichen CRISPR-Nukleasen am besten einsetzen lassen, hat ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) in Würzburg erforscht: Am Beispiel von multiresistenten und hypervirulenten Bakterien wurden erstmals systematisch CRISPR-basierte Antimikrobielle Wirkstoffe untersucht.
Die Entdeckung antimikrobieller Wirkstoffe – wie etwa konventioneller Antibiotika – hat die Medizin verändert und ermöglicht, Infektionen zu behandeln, die zuvor als unheilbar galten. Allerdings ist die Entwicklung neuer Substanzen ins Stocken geraten, während unter anderem die unsachgemäße Gabe von Antibiotika die Entstehung von Resistenzen begünstigt. Daher besteht ein ständig wachsender Bedarf an neuartigen Methoden zur Bekämpfung von Krankheitserregern.
CRISPR-Cas-Systeme sind Bestandteil bakterieller Immunmechanismen, mit denen sich Bakterien gegen virale Invasionen wehren. Durch Umprogrammierung lassen sie sich auch für andere Zwecke einsetzen, zum Beispiel um Infektionen zu behandeln. Denn die Systeme können Mikroben allein auf der Basis von Gensequenzen gezielt abtöten. Bisher fehlten jedoch systematische Studien, um die Wirksamkeit der CRISPR-Antimikrobiotika zu bewerten, insbesondere für verschiedene Nukleasen, Angriffspunkte und Bakterienstämme.
Um diese Lücke zu schließen, hat ein internationales Team unter Leitung des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI), einem Standort des Braunschweiger Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Kooperation mit der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), nun die erste umfassende Untersuchung dieser neuartigen Wirkstoffe durchgeführt. Im Mittelpunkt der Forschungsarbeit stand Klebsiella pneumoniae, eines der sogenannten ESKAPE-Bakterien. Die Abkürzung steht für eine Gruppe von Keimen, die gegen mehrere Antibiotika resistent sind.
Dabei ergaben sich große Unterschiede in der Wirksamkeit, die die Forschenden mithilfe von Hochdurchsatz-Screening und maschinellem Lernen vorhersagen konnten. In der Studie konnte gezeigt werden, dass verschiedene CRISPR-Nukleasen unterschiedlich effektiv sind: Nukleasen, die auf DNA abzielen, zeigten eine bessere Leistung als solche, die RNA abbauen. Darüber hinaus waren verschiedene Stämme von K. pneumoniae unterschiedlich empfindlich gegenüber bestimmten CRISPR-Antimikrobiotika, obwohl identische Nukleasen für die gleichen Angriffspunkte verwendet wurden. Dieser Unterschied wurde auf die Faltung der CRISPR-RNAs zurückführt, welche das DNA-Targeting, also die gezielte Veränderung eines Gens, steuern.
Die Studie zeigt zudem, dass die antibakterielle Wirkung selbst zwischen verwandten Stämmen variieren kann. Um Merkmale zu identifizieren, die das Targeting in verschiedenen Stämmen verbessern könnten, führten die Forschenden ein genomweites Screening verschiedener K. pneumoniae-Stämme durch. Dabei haben sie Prinzipien und Parameter für das Design potenzieller antimikrobieller CRISPR-Wirkstoffe identifiziert und einen Algorithmus zur Vorhersage ihrer Effizienz trainiert. Außerdem wagte sich die Forschenden an den nächsten Schritt in der Wirkstoffforschung, den Transport: Als Vehikel für die CRISPR-Antimikrobiotika nutzten die Wissenschaftler:innen Bakteriophagen, welche sie mit modifizierten Oberflächenmolekülen ausgestattet haben, um das Spektrum der Zielorganismen für die CRISPR-Fracht zu erweitern.
Koordiniert wurde die internationale Studie in Zusammenarbeit mit Forschenden des Institut Pasteur in Paris, Frankreich, der Tel Aviv University in Israel, des HZI und der University of Toronto in Kanada von Chase Beisel, Leiter der Abteilung Synthetische RNA-Biologie am HIRI und Professor an der Medizinischen Fakultät der JMU. koordiniert. Das Team aus vier verschiedenen Ländern vereinte die für eine Forschungsarbeit dieser Größenordnung erforderliche Expertise in den Bereichen CRISPR-Technologien, Klebsiella-Keime, Wirkstoffverabreichung mittels Bakteriophagen, Hochdurchsatz-Screening und maschinelles Lernen.
Diese Studie legt den Grundstein für die weitere Entwicklung von CRISPR als Werkzeug zur Vorbeugung oder Behandlung von Infektionen mit antibiotikaresistenten Erregern.
Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nucleic Acids Research veröffentlicht.