Eine molekulare Bremse lösen, um die antimikrobielle Aktivität zu verstärken
Neuer CRISPR/Cas9-Ansatz verstärkt die natürliche antimikrobielle Aktivität von Lactiplantibacillus plantarum
Milchsäurebakterien produzieren von Natur aus eine Reihe von Verbindungen, die andere Mikroorganismen hemmen können. Forscher am DWI haben nun gezeigt, wie gezielte Genom-Editierung diese antimikrobielle Aktivität bei L. plantarum verstärken kann, und gleichzeitig einen CRISPR/Cas9-Workflow für einen Bakterienstamm etabliert, der bisher nur schwer genetisch modifiziert werden konnte.
In einer neuen Studie, die im Journal of Biological Engineering veröffentlicht wurde, haben Rajat Anand und seine Kollegen am DWI einen etablierten CRISPR/Cas9-basierten Ansatz zur Genom-Editierung für L. plantarum 8P-A3 angepasst und optimiert. Das Bakterium produziert von Natur aus antimikrobielle Peptide, sogenannte Plantaricine, deren Produktion durch ein Netzwerk aus Signal- und Regulationsgenen gesteuert wird.
Eine molekulare Bremse lösen
Die Forscher richteten ihr Augenmerk auf plnD, ein regulatorisches Gen, das am Quorum-Sensing-System des Bakteriums beteiligt ist. Vereinfacht ausgedrückt ermöglicht dieses System den Bakterien, ihre Genaktivität als Reaktion auf chemische Signale zu koordinieren. In diesem Fall fungiert plnD als negativer Regulator der Plantaricin-Produktion.
Durch die gezielte Ausschaltung dieses Gens gelang es den Forschern, diese molekulare „Bremse“ zu lösen. Die Herausforderung bestand jedoch darin, CRISPR/Cas9 – oft als „molekulare Schere“ bezeichnet – in L. plantarum 8P-A3 effizient zum Einsatz zu bringen. Dieser Stamm lässt sich aufgrund seiner dicken Peptidoglykan-Zellwand, seiner geringen Transformationseffizienz und weiterer stammspezifischer Barrieren nur schwer genetisch verändern.
Durch systematische Optimierung der Bedingungen für die Genom-Editierung gelang es Rajat Anand, einen stabilen modifizierten Stamm zu erzeugen. Im Vergleich zum unmodifizierten Bakterium zeigte dieser eine deutlich erhöhte Expression der mit Plantaricin assoziierten Gene plnA, plnE und plnF.
Mehr als nur eine genetische Veränderung
Die genetische Veränderung führte auch zu einem messbaren funktionellen Effekt. Im Vergleich zum unveränderten Stamm zeigten die gentechnisch veränderten Bakterien in Laborversuchen eine erhöhte antimikrobielle Aktivität gegenüber einem empfindlichen L. plantarum-Indikatorstamm.
Die Ergebnisse zeigen, dass ein bakterielles Signalnetzwerk gezielt umgestaltet werden kann, um die Expression von Plantaricin-assoziierten Genen zu steigern und damit die antimikrobielle Aktivität zu verstärken. Gleichzeitig bietet der optimierte CRISPR/Cas9-Workflow eine praktische Grundlage für die weitere gentechnische Veränderung von L. plantarum 8P-A3 und potenziell verwandten Milchsäurebakterien.
Ein Schritt hin zu gentechnisch maßgeschneiderten antimikrobiellen Bakterien
Die Studie eröffnet neue Möglichkeiten für die gezielte Entwicklung von Milchsäurebakterien mit verbesserten antimikrobiellen Eigenschaften für Anwendungen in der Lebensmitteltechnologie, Biotechnologie und perspektivisch auch im therapeutischen Bereich. Solche gentechnisch veränderten Mikroorganismen könnten zu neuen Ansätzen in Bereichen beitragen, in denen herkömmliche Antibiotika zunehmend an ihre Grenzen stoßen, einschließlich der Entwicklung antimikrobieller Strategien der nächsten Generation.
Vorerst sind jedoch weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die Stabilität, Sicherheit und funktionelle Wirksamkeit dieser gentechnisch veränderten Bakterien in komplexeren biologischen Umgebungen zu untersuchen und festzustellen, ob sich ihre verbesserte antimikrobielle Aktivität auch auf klinisch oder industriell relevante Mikroorganismen erstreckt.
Publication details:
Rajat Anand, Rudolf Lütticken, Laura De Laporte, Andreas Herrmann & Elisabeth Heine, “An optimized CRISPR/Cas9-based genome editing platform enhances bacteriocin production in Lactiplantibacillus plantarum.” Journal of Biological Engineering vol. 20,1 121. 29 Jul. 2026, doi:10.1186/s13036-026-00739-5. PMID: 42527938; PMCID: PMC13420864.