Humans are not only individuals, but rather mobile ecosystems. This view allows for a better understanding of the toxicology of a wide variety of microorganisms against the backdrop of their struggle for survival in an ever changing ecosystem.

1. Habilitationsvortrag
Dr. rer. nat. Björn Brembs
13.05.2009

2. Wirkungsgefüge von
Lebensgemeinschaft (Biozönose)
und Lebensraum (Biotop)

3. • Offen, dynamisch, komplex
• Trophische Ebenen
– Produzenten
– Konsumenten
– Destruenten
• Sukzession – Mosaikbildung
• Konkurrenz, Predation, Mutualismus, Kommen
salismus

4. • 1014 menschliche Zellen
• 1015 Bakterien
• 1017 Viren
• Mikrobielles Metagenom evtl. grösser als
menschliches Genom
• 98% Sequenzidentität zw. Mensch und
Schimpanse, jedoch nur 50% mikrobielle
Speziesidentität

5. Mims C et al. Medical Microbiology, 2004.

6. • Streptococcus gordonii
vergärt Kohlenhydrate
zu Milchsäure
• Veilonella atypica
nutzt Milchsäure als
Energielieferant
• V. atypica induziert
Amylase-Aktivität in S.
gordonii
Egland P. G. et.al. PNAS 2004;101:16917-16922
©2004 by National Academy of Sciences

7. • Erste Welle (Gram+)
Streptokokken binden
Oberflächenproteine
• Zweite Welle (Gram-)
Brückenspezies F.
nuclearum bindet
andere Bakterien
• Dritte Welle: Biofilm
Kolenbrander et al. 2002, Microbiol Mol Biol Rev 66:486

8. Biofilme
http://www.socialfiction.org/img/biofilm.jpg

10. • Buchnera aphidicola: Gram negative, intrazelluläre Bakterien in spezialisierten
Bakteriozyten
• Stellt dem Wirt kritische Nährstoffe zur Verfügung
• Seit mehr als 150 Mio Jahren vertikal übertagen (Mutter-Nachkommen)
• Mit E. coli verwandt, Genom drastisch reduziert (600 von ~4000 urspr. Genen)

11. Maternale Bakteriozyten
Späte Embryonen mit Symbionten
Frühe Embryonen mit
sichtbaren Symbionten
1 mm
J. Sandström

12. Blattlaus-Eier mit
Buchnera der Mutter 0.5 mm
A. Mira

13. • Streptococcus sobrinus
Rasen
• Streptococcus mutans
Kolonien
• Mutazin I und IV
Photo: Dr. Jens Kreth

14. • Von den meisten Bakterien produzierte Peptide
• Meist nur für nah verwandte Arten bakteriostatisch oder
bakterizid wirkend
• Ohne Resistenzmechanismen sind auch die produzierenden
Zellen betroffen
Stamm Bakteriozin Wirkspektrum Lokalisierung
Lactobacillus Lactobacillus sp
Lactacin F Plasmid
Enterococcus
acidophilus
feacalis
Lactobacillus Sakacin P Lactobacillus sp nicht bekannt
Carnobacterium sp
sake Sakacin A Plasmid
Lactobacillus sp
Enterococcus sp
Listeria
monocytogenes
Lactobacillus Lactobacillus sp
Curvacin A Plasmid
Listeria
curvatus
monocytogenes

15. a) Porenbildung
– Häufigster Mechanismus
– Membran Depolarization
– Elektrolyt-Verlust
– Letztendlich Lyse
b) Zellwand-Degradation
– Löst Peptidoglycane auf
– Lyse
c) Nuklease Aktivität
– Chromosomale DNA
– 16S-RNA
Cursino et al. 2002. Brazilian Journal of Microbiology 33: 185-195

16. Offene Ökosysteme

17. Gram-positive, fakultativ anaerobe
Kokken:
• Kommensales Hautbakterium
• Staphylokokken-Enterotoxine
• Toxic shock syndrome Toxin (TSST)

18. Aufnahme beim Trinken

19. Gram-negatives Stäbchen: Cholera Toxin

20. Aufnahme durch Lebensmittel

21. Anaerobes, Gram-
positives, sporenformendes
Stäbchen:
Botulinumtoxin („Botox“)

22. Aufnahme durch Atmung

23. Gram-positives, sporenformendes Stäbchen:
Anthraxtoxin

24. Aufnahme durch die Haut

25. Gram-negative Stäbchen
• Bakteriozine
• Immunsuppressiv
• Yersinia outer proteins
(Yop)

27. • Typ I Toxine: Rezeptorbindend
– Binden an die Zelloberfläche werden aber nicht in die Zelle
transloziert (SEB)
• Typ II Toxine: Porenformend
– Formen Poren in der Zellmembran (Anthraxtoxin PA)
• Typ III Toxine: Intrazellulär wirkend
– Rezeptor-gekoppelte Translokation in die Zelle und
Schädigung intrazellulärer Komponenten (Botulinumtoxin)

28. Typ I Typ II Typ III

29. • Zell Lyse (Hämolysine, Leukozidine)
• cAMP Anstieg (Cholera Toxin)
• Blockade der Proteinsynthese (Diphtherie
Toxin)
• Hemmung der synaptischen
Erregungsübertragung (Botulinum-, Tetanus
Toxin)

30. toxin source LD50 [µg/kg]
Clostridium botulinum toxin bacteria 0.001
Shigatoxin bacteria 0.002
Abrin plant 0.04
Clostridium perfringens toxin bacteria 0.1-5
Ricin plant 3
α-Conotoxin snail 5
Saxitoxin algae 10
Staphylococcus enterotoxin bacteria 27
VX nerve agent 15
Sarin nerve agent 100
Cyanide (KCN) chemical 2860

31. Extrazellulär Intrazellulär
bindend
aktiv
A B

32. • A: Enzymatische
Untereinheit
• B: Zellbindende
Untereinheit

34. Toxin Organisation Aktivität
Diphterietoxin AB ADP Ribosylierung
Exotoxin A AB ADP Ribosylierung
Zn++ Protease
Botulinumtoxin AB
Zn++ Protease
Tetanustoxin AB
Choleratoxin AB5 ADP Ribosylierung
Shigatoxin AB5 Schneidet 28S rRNA
Zn++ Protease
Anthraxtoxin LF A-B
Anthraxtoxin EF A-B Adenylat Zyklase

35. Clostridium botulinum

36. • ~900: Leo VI der Weise
(Byzanz) verbot Blutwurst.
• 1793: Ausbruch durch
Blutwurst in Wildbad.
• 1897: van Ermengem
isoliert anaerobes
Bakterium aus Schinken.
• Botulus: Wurst (lat.)

37. • 110 Fälle jährlich
• ~25% durch Nahrungsmittel
• ~72% Säuglingsbotulismus
• 3% Wundbotulismus

38. • AB Toxin
• Sieben Serotypen A-G
• A, B, E, & F sind toxisch für Menschen, C und D für Vögel und
Rinder, E für Vögel und Fische
• Leichte Kette aktiviert intrazellulär nachdem Proteasen die
rezeptorbindende schwere Kette abgeschnitten haben.
Botulinumtoxin C1

39. JAMA. 2001;285:1059-1070

40. JAMA. 2001;285:1059-1070

42. Vorher und
nachher

45. Vibrio cholerae

47. • Klassisches AB5 Toxin
• B Untereinheiten
multimerisieren zu einem
pentameren Ring
• Holotoxin bindet an
membranständigen
Rezeptor

49. Staphylococcus aureus

51. Superantigene verlinken T-Zellrezeptor mit MHC
• Globulär
• Hitzebeständig
• Säurebeständig
• T-Zell-Überaktivierung
• massive Cytokin-
Freisetzung
• Toxic shock syndrome

53. Pathogen-Evolution als
trophische Interaktion

54. Microbiol Mol Biol Rev. 2004, 68(3): 560–602.

55. A B C
E. coli K12
A B C
E. coli O157:H7
Fremde DNA
= Locus für Lyse der Enterocyten
Verantwortlich für die Pathogenität:
Ermöglicht Adhäsion und Toxin Produktion
Harmloses Bakterium wird pathogen durch DNA
Transfer von anderen Bakterienstämmen

56. Microbiol Mol Biol Rev. 2004, 68(3): 560–602.

57. V. cholerae wird aus dem
Darm konkurriert

58. Microbiol Mol Biol Rev. 2004, 68(3): 560–602.

59. C. botulinum kann nur im toten
Wirt mit Darmflora konkurrieren

60. Nature Reviews Microbiology 6, 387-394 (May 2008) | doi:10.1038/nrmicro1889

61. Spinnen – Bakterien

62. Loxosceles Corynebacterium:
Gram-positive, facultativ anaerobe, nicht-
sporulierende Stäbchen. Actinobacteria.
Bioinformatics 2006 22(3):264-268; doi:10.1093/bioinformatics/bti811

63. • Nicht nur makrobiologische sondern auch
mikrobiologische Ökosysteme zunehmend
untersucht
• Ökologie der Mikroben hilft deren Toxikologie
zu verstehen
• Nutzung dieses Verständnisses für Vorbeugung
(Probiotik) und Therapie
• Ausbalancierte mikrobielle Ökosysteme halten
Toxin-Produzenten in Schach

64. Begründer der Toxikologie
Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim (Paracelsu
„All Ding' sind Gift und nichts ohn' Gift;
allein die Dosis macht,
dass ein Ding kein Gift ist.“