Complete Genome of Lactiplantibacillus plantarum 25 (LP25) Isolated from Commercialized Pig Feces

In der Welt der Lebensmittel und der Medizin nimmt eine bestimmte Art von Bakterien, bekannt als Lactiplantibacillus plantarum, einen besonderen Platz ein. Es ist ein mikroskopischer Arbeiter, der in fermentierten Lebensmitteln wie Sauerkraut und Essiggurken zu finden ist, und es wird auch weit verbreitet als Probiotikum verwendet – einem lebenden Helfer, der Lebensmitteln und Nahrungsergänzungsmitteln hinzugefügt wird, um die Darmgesundheit zu unterstützen. Da dieses Bakterium von Gesundheitsbehörden allgemein als sicher eingestuft wird, nutzen Wissenschaftler es oft als Transportvehikel für Impfstoffe oder als Fabrik zur Produktion nützlicher Proteine. Doch wie bei jedem Lebewesen, das in den Körper eingeführt wird, besteht die Notwendigkeit, seine genetische Zusammensetzung vollständig zu verstehen. Genau wie ein Mechaniker jedes Teil eines Motors kennen muss, bevor er ihn in ein Auto einbaut, müssen Forscher den gesamten genetischen Code eines Probiotikum-Stammes kartieren, um sicherzustellen, dass er keine verborgenen Risiken trägt, wie etwa Gene, die ihn resistent gegen Antibiotika machen könnten – jene Medikamente, die verwendet werden, um schädliche Bakterien abzutöten.

Ein Forschungsteam der Kangwon National University in Südkorea hat nun diese vollständige genetische Karte für einen spezifischen Stamm dieses Bakteriums erstellt, der als LP25 bekannt ist. Dieser besondere Stamm wurde ursprünglich aus dem Kot von Schweinen einer kommerziellen Farm isoliert und ist seitdem zu einem bevorzugten Werkzeug für Wissenschaftler geworden, die Bakterien manipulieren möchten, um Impfstoffe zu verabreichen oder die Genexpression zu untersuchen. Die Forscher wollten genau wissen, was sich in der genetischen Bedienungsanleitung von LP25 befindet, um dessen Sicherheit zu bestätigen und sein Potenzial zu verstehen. Um dies zu erreichen, betrachteten sie nicht nur einige wenige Gene; sie sequenzierten das gesamte Genom, also den vollständigen Satz an DNA-Anweisungen, der dem Bakterium sagt, wie es lebt und funktioniert.

Das Team nutzte zwei leistungsstarke Sequenzierungstechnologien, um die DNA zu lesen. Eine Methode liest den genetischen Code in kurzen, hochpräzisen Schnipseln, während die andere viel längere DNA-Abschnitte liest. Durch die Kombination der Ergebnisse aus beiden Methoden konnten sie ein vollständiges und fehlerfreies Bild der genetischen Struktur des Bakteriums zusammensetzen. Das Endergebnis zeigte, dass LP25 ein einzelnes, kreisförmiges Chromosom besitzt, das 3.298.237 Basenpaare lang ist. Zusätzlich zu diesem Hauptchromosom trägt das Bakterium drei kleinere, unabhängige DNA-Ringe, sogenannte Plasmide, die wie zusätzliche Werkzeugkästen sind, die die Zelle nutzen kann. Die Forscher identifizierten 3.172 unterschiedliche Gene innerhalb dieses genetischen Materials, die als Anweisungen für den Bau der Proteine dienen, die das Bakterium zum Überleben benötigt.

Als die Wissenschaftler diese Gene analysierten, fanden sie mehrere Merkmale, die erklären, warum dieses Bakterium so nützlich ist. Sie entdeckten einen Gencluster, der für die Produktion von Plantaricin verantwortlich ist – einer natürlichen Substanz, die das Wachstum anderer Bakterien hemmen kann, was dem Stamm hilft, sich in seiner Umgebung durchzusetzen. Vor allem im Hinblick auf die Sicherheit suchten sie nach Genen, die es dem Bakterium ermöglichen könnten, gegen Antibiotika resistent zu sein. Ihre Suche ergab zwei solche Gene: eines, das eine Resistenz gegen eine Art von Antibiotikum namens Tetracyclin bietet, und ein weiteres, das gegen ein Medikament namens Lincomycin resistent ist. Diese Gene befanden sich auf den kleineren Plasmidringen und nicht auf dem Hauptchromosom. Die Forscher merkten an, dass sie zwar diese genetischen Anweisungen fanden, die Bakterien jedoch nicht in einem Labor auf die Frage testeten, ob sie tatsächlich gegen die Medikamente resistent sind; sie fanden lediglich die Blaupausen für die Resistenz.

Die Studie ordnete diesen Stamm auch in den Stammbaum verwandter Bakterien ein. Durch den Vergleich der Kerngene von LP25 mit denen anderer ähnlicher Spezies fanden die Forscher heraus, dass es am engsten mit einem anderen Stamm namens L. plantarum W32 verwandt ist. Dies bestätigt seine Identität und hilft Wissenschaftlern zu verstehen, wie es in die breitere Welt der Milchsäurebakterien passt. Die vollständigen genetischen Daten, einschließlich der Karten des Chromosoms und der Plasmide, wurden über internationale Datenbanken der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Dies ermöglicht es anderen Wissenschaftlern, diese Informationen zu nutzen, um verschiedene Stämme zu vergleichen, die Sicherheit in neuen Anwendungen zu prüfen oder bessere Wege zu entwerfen, dieses Bakterium als Werkzeug für die menschliche Gesundheit einzusetzen.

Obwohl die Studie einen umfassenden genetischen Bauplan liefert, weisen die Autoren vorsichtig auf deren Grenzen hin. Die Daten stammen von einem einzelnen Isolat, was bedeutet, dass sie diesen spezifischen Stamm repräsentieren und nicht automatisch auf alle weltweit vorkommenden L. plantarum-Bakterien übertragen werden können. Darüber hinaus erfolgte die Identifizierung der Antibiotikaresistenzgene durch eine Computeranalyse der DNA-Sequenz und nicht durch physische Experimente, die messen, wie die Bakterien auf die Medikamente reagieren. Ebenso deutet das Vorhandensein der Plantaricin-Gene darauf hin, dass das Bakterium antimikrobielle Verbindungen produzieren kann, doch das Team führte keine Tests durch, um zu bestätuchen, dass es tatsächlich andere Bakterien in einer Petrischale abtötet. Diese Erkenntnisse dienen als hochwertiger Referenzpunkt, der einen klaren und detaillierten Blick auf die genetische Landschaft eines weit verbreiteten Probiotikum-Stammes bietet, während sie die endgültige Bestätigung seines Verhaltens der zukünftigen Laboruntersuchung überlassen.