Anwendung von Bioziden; hier Oberflächendesinfektion – was passiert, wenn ein Teil der Mikroorganismen überlebt?
Quelle: BAM
Biozide sind wichtige Produkte zur Bekämpfung unerwünschter Mikroorganismen. So sind beispielsweise Desinfektionsmittel eine Hauptgruppe von Biozidprodukten, die für die Gewährleistung der Hygiene und die Verhinderung von Infektionen von entscheidender Bedeutung sind. Darüber hinaus sind Biozidprodukte der Hauptgruppe „Konservierungsmittel“ wichtig, um biologische Schädigung von Materialien zu verhindern und eine Vielzahl industrieller Prozesse zu ermöglichen.
Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass die Anwendung von Desinfektionsmitteln das Risiko birgt, die Evolution von Mikroorganismen zu fördern. Ein Teil der Zellen innerhalb einer Population genetisch identischer Zellen kann viel länger überleben als andere Zellen. Das Ausmaß dieser Populationsheterogenität im Überleben von Desinfektionsmitteln und die Folgen für die Resistenzevolution waren bisher unbekannt.
In der Arbeit wurde der Zeitverlauf des Absterbens eines Mikroorganismus‘ (des Bakteriums Escherichia coli) in der Gegenwart von verschiedenen Desinfektionsmitteln gemessen. Die Verwendung eines mathematischen Modells zur Analyse der Zeitverläufe zeigte, dass vereinzelte Zellen die Desinfektion mit bestimmten Substanzen (z.B. Isopropanol und quaternäre Ammoniumverbindungen) überlebten.
Anschließend stellten die Autor*innen die Hypothese auf, dass dieses heterogene Überleben in der Bakterienpopulation das Auftreten genetischer Veränderungen in den Bakterien bei wiederholter Exposition begünstigt, sodass diese sich der Desinfektion ganz entziehen können. Es wurden eine Reihe von Evolutionsexperimenten durchgeführt, bei denen die Bakterien wiederholt verschiedenen Desinfektionsmitteln in letalen Konzentrationen ausgesetzt wurden. Dabei zeigte sich, dass die Bakterien mit größerer Wahrscheinlichkeit eine höhere Überlebensrate gegenüber jenen Desinfektionsmitteln entwickelten, für die das Modell ursprünglich ein hohes Maß an Heterogenität in der Überlebensrate vorhersagte. Umgekehrt wurde keine Entwicklung von Desinfektionsmittelresistenz bei anfänglich geringer Heterogenität beobachtet.
Die Studie ermöglicht es nun, neue Strategien für den Gebrauch von Bioziden in verschiedenen Anwendungen zu entwickeln. Mit diesen Strategien sollen zum einen Anwendungsfehler aufgrund der Heterogenität innerhalb der Bakterienpopulationen vermieden werden und zum anderen die Entwicklung von Resistenzen abgeschwächt werden, mit dem Ziel, dass eine nachhaltige Wirksamkeit von Bioziden auf lange Sicht gewährleistet bleibt.
Heterogeneous survival upon disinfection underlies evolution of increased tolerance.
Nordholt N, Sobisch L, Gödt A, Lewerenz D, Schreiber F.
Microbioly Spectrum, 2024