Volltextsuche nach Texteingabe:

Suche schließen
Suche
Menü Schließen

Wirkungsweise

Das Bakterium B.t.i. produziert bei der Sporulation (= Bildung einer Spore) Proteinkristalle [1, 2]. Diese Proteinkristalle bestehen aus Poren-bildenden Toxinen, sogenannten Cry- und Cyt-Proteinen. Diese Proteine interagieren auf sehr spezifische Weise mit Zellen des Darmepithels [2] und führen dadurch zum Tod von Mückenlarven [3].

Bti Wirkung Icon.

Stechmückenlarven nehmen ein im Wasser gelöstes Bti-Produkt als Nahrung wahr und filtrieren es aus dem Wasser oder fressen am Granulat.

In der Grafik rechts sind Stechmückenlarven dargestellt, die gerade Bti aufnehmen.

Grafik: Larven fressen Bti.

Die Eiweißkristalle gelangen, wie für aufgenommene Nahrung üblich, in den Darm der Stechmückenlarve.

In der Grafik links sind verschiedene Proteinkristalle dargestellt, die gerade den Darm einer Stechmückenlarve erreichen.

Grafik: Bti im Darm.

Der Darm von Stechmückenlarven besitzt ein stark alkalisches Milieu mit einem pH-Wert von 11. Dadurch werden die Bindungen der Kristallstruktur gelöst und die Proteinkristalle zerfallen in Protoxine (inaktive Toxine) [1].

In der Grafik rechts ist dargestellt, wie die Kristallstruktur der Proteinkristalle innerhalb des Darms zerfällt.

Grafik: Bti Kristalle werden aufgelöst.

Nach dem Zerfall der Kristalle werden die Protoxine durch spezifische Verdauungsenzyme in die toxischen Cry- und Cyt-Fragmente aufgespalten und somit aktiviert [1].

In der Grafik links sieht man im Detail, wie die stabile Kristallstruktur der angelagerten Protoxine aufgelöst wird. Die inaktiven Enden der Amniosäure-Proteine werden abgespalten, übrig bleiben die aktiven Toxine.

Grafik: Toxine werden aktiviert.

Die aktivierten Toxine binden an passende Rezeptoren auf der Zellmembran der Darmepithelzellen [5]. Cyt-Proteine können auch direkt mit den Phospholipiden der Zellmembran interagieren [6].

In der Grafik rechts sieht man, wie die aktivierten Toxine auf unterschiedliche Weise mit der Zellmembran der Darmepithelzellen interagieren: Ein Cry-Toxin (orange) interagiert mit einem passenden Rezeptor der Zellmembran. Ein Cyt-Toxin (rosarot) interagiert mit einem Rezeptor oder direkt mit den Phospholipiden der Zellmembran.

Grafik: Toxine interagieren.

Cry- und Cyt-Proteine lagern sich an der Zellmembran zu Komplexen zusammen und bilden Kanäle ins Zellinnere [7, 8]. Bei der direkten Interaktion lösen sich einzelne Phospholipide aus der Zellmembran [9]. Beide Wege führen zum Wasser- und Ioneneinstrom in die Zelle.

In der Grafik links sind die Folgen der Interaktion dargestellt. Durch die Bindung an die Rezeptoren konnten sich die Cry- und Cyt-Proteine neu anordnen, zwischen die Lipidmembran schieben und einen Porenkomplex (orange) bilden. Durch die direkte Interaktion mit dem Cyt-Toxin haben sich einzelne Phospholipide von der Zellmembran abgelöst (rosarot). Die blauen Wellenlinien symbolisieren das Einströmen von Wasser und Ionen.

Grafik: Wassereinstrom durch Poren.

Die Zellen erleiden durch den unkoordinierten Austausch von Ionen einen osmotischen Schock, was zur Lyse (= Aufschluss) der Zelle führt [10]. Dieser Vorgang läuft zeitgleich in mehreren Darmepithelzellen ab.

In der Grafik rechts sieht man einzelne Zellen des Darmepithels, die sich gerade in der Lyse befinden. Der Zellkörper wird aufgeschlossen, das Zellinnere wird freigesetzt und zeitgleich werden nun Flüssigkeiten aus dem Darm nicht mehr in diesem gehalten.

Grafik: Zelllyse.

Da das Darmgewebe an vielen Stellen gleichzeitig angegriffen wird, sterben die Stechmückenlarven am zerstörten Darmgewebe durch eine Sepsis (Blutvergiftung).

Die Grafik links zeigt die Folgen der Lyse vieler Darmepithelzellen: Die Stechmückenlarven sind an einer Blutvergiftung gestorben und zum Grund abgesunken.

Grafik: Larven sterben.

Bti-Toxine treten in Wechselwirkung

Bti produziert während der Sporenbildung hauptsächlich die Protoxine Cry4Aa, Cry4Bb, Cry11Aa und Cyt1Aa [11]. In geringerer Menge werden auch die Protoxine Cry10Aa und Cyt2Ba von einigen B.t.i.-Stämmen produziert [12].

Die einzelnen Protoxine weisen für sich genommen nur eine geringe Toxizität auf, erst wenn sie synergistisch miteinander interagieren verstärkt sich die Wirkung [13]. Die Wechselwirkung der einzelnen Protoxine zueinander ist auch ein entscheidender Faktor, was das Ausbleiben von Resistenzbildungen in Stechmücken im Freiland anbelangt [14].

Hilfreiche Publikationen zum Thema

Mode of action of Bacillus thuringiensis Cry and Cyt toxins and their potential for insect control

Link zur Publikation: https://dx.doi.org/10.1016/j.toxicon.2006.11.022

Alejandro Bravo, Sarjeet S. Gill and Mario Soberón

April 2007, Toxicon; 49(4):423-35 DOI: 10.1016/j.toxicon.2006.11.022

Zusammenfassung der Publikation

Bacillus thuringiensis Crystal (Cry) and Cytolitic (Cyt) protein families are a diverse group of proteins with activity against insects of different orders–Lepidoptera, Coleoptera, Diptera and also against other invertebrates such as nematodes. Their primary action is to lyse midgut epithelial cells by inserting into the target membrane and forming pores. Among this group of proteins, members of the 3-Domain Cry family are used worldwide for insect control, and their mode of action has been characterized in some detail. Phylogenetic analyses established that the diversity of the 3-Domain Cry family evolved by the independent evolution of the three domains and by swapping of domain III among toxins. Like other pore-forming toxins (PFT) that affect mammals, Cry toxins interact with specific receptors located on the host cell surface and are activated by host proteases following receptor binding resulting in the formation of a pre-pore oligomeric structure that is insertion competent. In contrast, Cyt toxins directly interact with membrane lipids and insert into the membrane. […]

Bacterial Toxins Active against Mosquitoes: Mode of Action and Resistance

Link zur Publikation: https://dx.doi.org/10.3390/toxins13080523

Maria H. N. L. Silva-Filha et al.

July 2021, Toxins; 13(8):523 DOI: 10.3390/toxins13080523

Zusammenfassung der Publikation

Larvicides based on the bacteria Bacillus thuringiensis svar. israelensis (Bti) and Lysinibacillus sphaericus are effective and environmentally safe compounds for the control of dipteran insects of medical importance. They produce crystals that display specific and potent insecticidal activity against larvae. Bti crystals are composed of multiple protoxins: three from the three-domain Cry type family, which bind to different cell receptors in the midgut, and one cytolytic (Cyt1Aa) protoxin that can insert itself into the cell membrane and act as surrogate receptor of the Cry toxins. Together, those toxins display a complex mode of action that shows a low risk of resistance selection. L. sphaericus crystals contain one major binary toxin that display an outstanding persistence in field conditions, which is superior to Bti. However, the action of the Bin toxin based on its interaction with a single receptor is vulnerable for resistance selection in insects. In this review we present the most recent data on the mode of action and synergism of these toxins, resistance issues, and examples of their use worldwide. […]

Weitere Themen

Bakterium B.t.i.

Das Bakterium B.t.i. wurde 1976 in der Wüste Negev entdeckt und gehört zu den sporenbildenen Bakterien der Gattung Bacillus.
Bti-Pulver ist zu einem Häufchen angesammelt, daneben steht ein Becherglas in dem Bti-Pulver in Wasser gelöst wurde.

Bti-Formulierungen

Verschiedene Bti-Formulierungen haben derzeit eine Zulassung und dürfen in Deutschland eingesetzt werden.
Eine Aedes cantans hängt an einem Blatt.

Bekämpfung der Überschwemmungsstechmücken

Die Regulierung von Überschwemmungsstechmücken findet in den rheinnahen Auwäldern und den weiter entfernten Sumpfwäldern statt.

Literaturverzeichnis

  1. Bravo, A., S.S. Gill, and M. Soberón (2007) Mode of action of Bacillus thuringiensis Cry and Cyt toxins and their potential for insect control. Toxicon, 49(4): p. 423-435.

  2. Silva-Filha, M.H.N.L., et al. (2021) Bacterial toxins active against mosquitoes: mode of action and resistance. Toxins (Basel). 13(8).

  3. World Health Organization (1982) Data sheet on the biological control agent Bacillus thuringiensis serotype H-14 (de Barjac 1978), in WHO mimeographed document WHO/VCB/79.750. 1982. p. 25.

  4. Dow J.A.T. (1986) Insect midgut function. Adv Insect Physiol; 19:187–238.

  5. Thomas W.E. and Ellar D.J. (1983) Mechanism of action of Bacillus thuringiensis var israelensis insecticidal deltaendotoxin. FEBS Lett; 154:362–368.

  6. Butko P. (2003) Cytolytic toxin Cyt1A and its mechanism of membrane damage: Data and hypotheses. Appl Environ Microbiol; 69:2415–2422.

  7. de Maagd R.A., Bravo A., Berry C., Crickmore N., Schnepf H.E. (2003) Structure, diversity, and evolution of protein toxins from spore-forming entomopathogenic bacteria. Ann. Rev. Genet; 37, 409–433.

  8. Bravo A., Gómez, I., Conde J., Muñoz-Garay C., Sánchez J., Miranda R., Zhuang M., Gill S.S., Soberón M. (2004) Oligomerization triggers binding of a Bacillus thuringiensis Cry1Ab pore-forming toxin to aminopeptidase N receptor leading to insertion into membrane microdomains. Biochim. Biophys. Acta; 1667, 38–46.

  9. Soberón, M., Lopez-Diaz J.A., and Bravo A. (2013) Cyt toxins produced by Bacillus thuringiensis: a protein fold conserved in several pathogenic microorganisms. Peptides; 41: p. 87-93.

  10. Pardo-Lopez L., Soberón M., Bravo A. (2013) Bacillus thuringiensis insecticidal three-domain Cry toxins: Mode of action, insect resistance and consequences for crop protection. FEMS Microbiol. Rev.; 37, 3–22.

  11. Berry C., O’Neil S., Ben-Dov E., Jones A.F., Murphy L., Quail M.A., Holden M.T., Harris D., Zaritsky A., Parkhill J. (2002) Complete sequence and organization of pBtoxis, the toxin-coding plasmid of Bacillus thuringiensis subsp. israelensis. App. Environ. Microbiol.; 68, 5082–5095.

  12. Valtierra-de-Luis, D. et al. (2020) Potential of Cry10Aa and Cyt2Ba, two minority delta-endotoxins produced by Bacillus thuringiensis ser. israelensis, for the control of Aedes aegypti larvae. Toxins; 12(6).

  13. Crickmore N., Bone E.J., Wiliams J.A., Ellar D.J. (1995) Contribution of the individual components of the delta-endotoxin crystal to the mosquitocidal activity of Bacillus thuringiensis subs. israelensis. FEMS Microbiol. Lett.; 131, 249–254.

  14. Wirth M.C., Georghiou G.P., Federeci B.A. (1997) CytA enables CryIV endotoxins of Bacillus thuringiensis to overcome high levels of CryIV resistance in the mosquito, Culex quinquefasciatus. Proc Natl Acad Sci; 94:10536–10540.