Klebsiella aerogenes ist ein gramnegatives Bakterium aus der Familie der Enterobacteriaceae. Bis 2017 wurde es unter der Bezeichnung Enterobacter aerogenes 1960 geführt, obwohl schon seit den 1970er Jahren berechtigte Zweifel an der Zugehörigkeit zur Gattung Enterobacter bestanden. Ein weiteres Synonym ist Klebsiella mobilis. Klebsiella aerogenes kann sich mit Hilfe von Flagellen aktiv bewegen, sie ist motil. Diese Eigenschaft ist nicht typisch für die Gattung Klebsiella. Das Bakterium ist nah verwandt mit Klebsiella pneumoniae und Enterobacter cloacae, was sich auch in vielen ähnlichen Merkmalen zeigt, die die Unterscheidung schwierig machen. Es kommt in fast allen Lebensräumen, einschließlich des Darms von Menschen und Tieren vor.
Von medizinischer Bedeutung ist die Antibiotikaresistenz, die einerseits natürlicherweise vorhanden ist, andererseits durch den horizontalen Gentransfer zwischen verschiedenen gramnegativen Bakterienarten verursacht wird, was zu einer erworbenen Antibiotikaresistenz führt. Daran sind Plasmide beteiligt, dies sind kleine, ringförmige DNA-Moleküle, auf denen die genetische Information für die Resistenz verschlüsselt ist. Klebsiella aerogenes kann bei Patienten mit einem bereits geschwächten Immunsystem Infektionen verursachen. Als Erreger von im Krankenhaus erworbenen Infektionen – nosokomialen Infektionen – ist sie damit von zunehmender Bedeutung, vor allem wenn es sich um multiresistente Bakterienstämme handelt. Jedoch ist die Bedeutung als Krankheitserreger nicht mit der von Klebsiella pneumoniae vergleichbar. Das Genom des Bakterienstammes Klebsiella aerogenes KCTC 2190 wurde im Jahr 2012 vollständig sequenziert.
Merkmale Erscheinungsbild Klebsiella aerogenes weist kleine, stäbchenförmige Zellen auf, diese werden in der Gram-Färbung rosa bis rot angefärbt, sie sind gramnegativ. Eine Besonderheit ist, dass sie peritrich begeißelt sind, also durch Flagellen aktiv beweglich (motil) sind. Dieses Merkmal ist nicht typisch für die Gattung Klebsiella, sondern für Vertreter der verwandten Gattung Enterobacter. Auf einem Nährboden gewachsene Bakterienkolonien weisen keine besondere Färbung auf.
Wachstum und Stoffwechsel Wie bei den Vertretern der Enterobacteriaceae üblich, verlaufen der Katalase-Test positiv und der Oxidase-Test negativ. Klebsiella aerogenes ist fakultativ anaerob, d. h. sie kann mit oder ohne Sauerstoff wachsen. Als typische Gärung wird die 2,3-Butandiol-Gärung zur Energiegewinnung durchgeführt. Weitere Informationen sind im Abschnitt Biochemische Nachweise zu finden. Für die Kultivierung sind einfache Nährmedien geeignet, die Bakterien lassen sich beispielsweise auf Casein-Soja-Pepton-Agar (CASO-Agar) anzüchten. Häufig werden Selektivnährmedien verwendet, die zur Isolierung und Unterscheidung von Vertretern der Enterobakterien geeignet sind, beispielsweise MacConkey-Agar und Eosin-Methylen-Blau-Agar (EMB). Klebsiella aerogenes ist mesophil, optimales Wachstum erfolgt bei einer Temperatur von 30 °C, nach Inkubation über ein bis zwei Tage sind Kolonien sichtbar.
Chemotaxonomische Merkmale Klebsiella aerogenes weist in ihren Membranlipiden neben gesättigten und einfach ungesättigten Fettsäuren ebenfalls Fettsäuren mit einer Hydroxygruppe sowie Omega-alicyclische (ω-alicyclische) Fettsäuren auf, hierbei wird der griechische Kleinbuchstabe ω als Lokant verwendet. Omega-alicyclische Fettsäuren finden sich in größeren Mengen bei Vertretern der Bakteriengattung Alicyclobacillus. In größeren Anteilen (Prozentgehalt der Membranlipide) findet man bei K. aerogenes die gesättigte Palmitinsäure C16:0 zu 30,7 % und Myristinsäure C14:0 zu 9,4 %; die einfach ungesättigten Omega-n-Fettsäuren (in diesem Fall Omega-7-Fettsäuren) Vaccensäure C18:1 (ω−7) zu 22,0 % und Palmitoleinsäure C16:1 (ω−7) zu 16,5 %; die 3-Hydroxy-tetradecansäure C14:0 3-OH zu 8,7 % sowie eine ω-alicyclische Fettsäure C17:0 zu 8,2 %. Hierbei kann es sich um Omega-Cyclohexylundecansäure (ω-Cyclohexan C17:0) handeln, die Anzahl der C-Atome in der Ringstruktur wurde nicht angegeben. Frühere Untersuchungen aus den 1960er Jahren an dem damals noch als „Aerobacter aerogenes“ bezeichneten Bakterium ergaben das Vorhandensein größerer Mengen (25 %) einer Fettsäure mit einem Cyclopropanring in der Kohlenstoffkette und insgesamt 17 C-Atomen, von der vermutet wurde, dass es sich um cis-9,10-Methylenhexadecansäure handelt. Sie ist homolog zu der Lactobacillsäure (cis-11,12-Methylenoctadecansäure) die ebenfalls einen Cyclopropanring und insgesamt 19 C-Atome aufweist, auch diese Fettsäure ist zu 6 % enthalten. In einer weiteren Untersuchung von 1968 wurde der Anteil dieser beiden Fettsäuren allerdings als geringer angegeben (10 % bzw. 1 %).
Genetik Bereits in den 1970er Jahren wurde mit Hilfe der DNA-Hybridisierung gezeigt, dass die Bakterienart näher mit Klebsiella pneumoniae (etwa 55 % strukturelle Verwandtschaft) als mit Enterobacter cloacae (etwa 45 %) verwandt ist. Der GC-Gehalt, also der Anteil der Nukleinbasen Guanin und Cytosin in der Bakterien-DNA, liegt beim Bakterienstamm KCTC 2190 (aus der Stammsammlung Korean Collection for Type Cultures) bei 54,8 Molprozent. KCTC 2190 war der erste Stamm der damals noch als Enterobacter aerogenes bezeichneten Spezies, dessen Genom im Jahr 2012 vollständig sequenziert wurde. Es handelt sich um den Typusstamm, der aus Sputum isoliert wurde. Das Genom liegt als ringförmigen Bakterienchromosom vor und weist eine Größe von 5.280 Kilobasenpaaren (kb) auf, was in etwa mit der Genomgröße von Escherichia coli vergleichbar ist. Es sind 4.912 codierende Gene vorhanden, bei 3.824 davon handelt es sich um vermutete Gene im Hinblick auf die Annotation für Proteine. Außerdem wurden 84 tRNAs und 25 rRNAs identifiziert. Seitdem wurden 150 Genome (bezogen auf das zirkuläre Bakterienchromosom) dieser Spezies sequenziert, außerdem 13 verschiedene Plasmide (Stand 2018).
Plasmide tragen häufig die genetische Information für eine Antibiotikaresistenz (siehe unten) des Bakteriums, die Genprodukte sind Enzyme, die eine bestimmte chemische Struktur eines Antibiotikums verändern und dadurch die Wirkung des Arzneistoffes verhindern. Beispiele dafür sind die plasmidcodierte Penicillinase oder die plasmidcodierte Extended Spectrum β-Lactamase (ESBL). Die Besonderheit von Plasmiden ist, dass sie durch horizontalen Gentransfer zwischen verschiedenen Bakterienarten ausgetauscht werden und somit die Antibiotikaresistenz „übertragen“ wird. Dies wird u. a. bei gramnegativen Bakterien, wie bei Vertretern der Gattung Klebsiella, Escherichia und Enterobacter beobachtet. In einem Fall aus Italien konnte dies 2016 quasi in vivo dokumentiert werden: Ein Patient auf der Intensivstation eines Krankenhauses in Rom wurde regelmäßig auf Carbapenem-resistente Enterobacteriaceae (CRE) untersucht. Er hatte sich nach einer neurochirurgischen Operation mit multiresistenten Klebsiella pneumoniae infiziert, was zu einer Sepsis und später zu einem Abszess in der Leistenregion führte, dort war ein Dialysekatheter zur Hämodialyse („Blutwäsche“) angebracht worden. Alle vom Patienten stammenden K. pneumoniae-Isolate waren resistent gegen Carbapeneme. Im Abszess wurde kurze Zeit später auch K. aerogenes gefunden, allerdings empfindlich (sensitiv) gegenüber den Carbapenemen. In der nächsten, drei Wochen später entnommenen Probe wurde ein Carbapenem-resistenter K. aerogenes-Stamm identifiziert. Die anschließende genetische Untersuchung mittels PCR (Polymerase-Kettenreaktion) und anderer Verfahren zeigte, dass die beiden resistenten Bakterienstämme jeweils ein Plasmid mit dem IncFIIK-Replikon und dem blaKPC-3-Gen aufwiesen. Das zuletzt genannte Gen codiert für die als KPC-3 bezeichnete Carbapenemase, die nach K. pneumoniae benannt wurde, aber nicht auf diese Bakterienart beschränkt ist. Die Plasmide von jeweils einem resistenten K. pneumoniae- und K. aerogenes-Isolat wurden nach Transformation mittels PCR als ein bereits bekanntes Plasmid (pK-pQIL IncFIIK) identifiziert, sie waren zu 100 % identisch mit diesem. Die Plasmide wurden außerdem durch Analyse des Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus (RFLP) verglichen, wobei die Längen der Restriktionsfragmente nicht unterscheidbar waren. Somit ist davon auszugehen, dass das Plasmid von K. pneumoniae auf K. aerogenes übertragen wurde, während die Bakterien den Patienten besiedelten bzw. infizierten.
Pathogenität K. aerogenes wird durch die Biostoffverordnung in Verbindung mit der TRBA (Technische Regeln für Biologische Arbeitsstoffe) 466 der Risikogruppe 2 zugeordnet. Die Eintragung erfolgt als Enterobacter aerogenes = Klebsiella mobilis. Die Bemerkung ht zeigt an, dass das Bakterium pathogen für Mensch und Wirbeltiere ist, jedoch in der Regel keine Übertragung zwischen beiden Wirtsgruppen erfolgt.
In der Fachliteratur werden oftmals gemeinsame Aussagen für E. cloacae und E. aerogenes gemacht, als die Vertreter der Gattung Enterobacter, die beim Menschen Infektionen verursachen können. Nach Überführung der zuletzt genannten Bakterienart in die Gattung Klebsiella (2017) wird es in der medizinischen Fachwelt vermutlich einige Zeit dauern, bis dies zur Kenntnis genommen wird, ähnlich wie bei der Zuordnung von E. sakazakii zur Gattung Cronobacter als Cronobacter sakazakii (2008). Im Vergleich zu K. pneumoniae ist die Pathogenität von K. aerogenes geringer ausgeprägt, was u. a. an der verbreiteten Multiresistenz von K. pneumoniae liegt, für diese Art sind im Krankenhaus erworbene Lungenentzündungen (nosokomiale Pneumonien) typisch. Weiterhin verfügt K. pneumoniae über mehr Virulenzfaktoren. In der Literatur beschriebene Infektionen durch K. aerogenes (bzw. E. aerogenes) sind ebenfalls häufig nosokomial, meist handelt es sich um Bakteriämien. K. aerogenes produziert Hämagglutinine, die bei Erythrozyten zu einer sichtbaren Verklumpung (Agglutination) führen.
Biochemische Nachweise Die nahe Verwandtschaft von K. aerogenes mit K. pneumoniae und E. cloacae zeigt sich auch in biochemischen Merkmalen, wie beispielsweise den vorhandenen Enzymen und den daraus resultierenden Stoffwechseleigenschaften. Darauf basierende Untersuchungen in den 1970er Jahren führten bereits zu dem Vorschlag, E. aerogenes in die Gattung Klebsiella zu stellen. Diese biochemischen Merkmale können in einer Bunten Reihe zur Identifizierung von K. aerogenes verwendet werden bzw. zur Unterscheidung von anderen Arten, vorausgesetzt es finden sich genügend Unterscheidungsmerkmale. Eine systematische Untersuchung von Vertretern der Enterobacteriaceae wurde 1985 veröffentlicht. Einige Ergebnisse dieser beiden Untersuchungen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
+ Tabelle: Ergebnisse verschiedener Tests zur UnterscheidungTestmethode, Merkmal Klebsiella aerogenes Klebsiella pneumoniae Enterobacter cloacae Motilität bei 36 °C + (1) – (1) + Indolbildung – – – Methylrotprobe – – – Acetoinbildung (VP-Test) + + + Citratverwertung + + + H2S-Bildung – – – Urease – + d (1) Hydrolyse von Gelatine – – – Äskulinspaltung + + d Gasbildung aus Glucose (2) + + + Säurebildung aus Arabinose + + + Säurebildung aus Glucose + + + Säurebildung aus Rhamnose + + + Säurebildung aus Xylose + + + Säurebildung aus Cellobiose + + + Säurebildung aus Lactose + + d ONPG-Test (3) + + + Säurebildung aus Maltose + + + Säurebildung aus Saccharose + + + Säurebildung aus Adonitol + + d Säurebildung aus Dulcitol – d d Säurebildung aus Glycerol + + d Säurebildung aus Inositol + + – Säurebildung aus Mannitol + + + Säurebildung aus Sorbitol + + + Arginindihydrolase (ADH) – – + Lysindecarboxylase (LDC) + + – Ornithindecarboxylase (ODC) + – + Anmerkungen: + steht für ein positives, – für ein negatives Ergebnis, die Angabe d (für different) bedeutet „variabel“, d. h., dass es sowohl Stämme gibt, die ein positives Ergebnis hervorrufen können, wie auch Stämme, die dies nicht tun; oder die positive Reaktion ist zu schwach, um sie klar erkennen zu können.