Bakterielle Giftnadeln in 3D
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- 3D-Modell des Darmkeims: Die roten Strukturen sind die Injektionsapparate, die aus der Zelle herausragen und die äußeren Hüllen (blau und gelb) kreuzen. Die flexiblen Angriffswerkzeuge sind äußerst stabil. Quelle: Universität Basel/Kudryashev
01.08.2013 -
Lebensmittelinfektion mit Keimen können Durchfallerkrankungen, Fieber und krampfhafte Bauchschmerzen hervorrufen. Eine mögliche Ursache dafür kann das Bakterium Yersinia enterocolitica sein, das sein Gift in die Wirtszellen im Darm injiziert. Das dazu notwendige Angriffswerkzeug hat ein internationales Forscherteam unter deutscher Beteiligung nun genauestens unter die Lupe genommen. Dabei sind hochauflösende 3D-Strukturmodelle der sogenannten Injektosome entstanden. Wie die Forscher im digitalen Fachjournal eLife (2013, Online-Veröffentlichung) berichten, variiert die Länge der molekularen Spritzen abhängig von physikalischem Stress. Solche Erkenntnisse könnten in Zukunft dazu beitragen, die Bakterienwaffen therapeutisch zu entschärfen.
Die Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung in Braunschweig (HZI) und ihre Schweizer Kollegen aus Lausanne und Basel haben die stäbchenförmigen Bakterien der Gattung Yersinia schon länger im Visier (mehr...). In vorangegangenen Studien gelang es ihnen, die molekularen Spritzen zu isolieren und unter dem Elektronenmikroskop zu studieren. Nun sind sie einen entscheidenden Schritt weiter gekommen: „Wir haben nun den Injektionsapparat in situ untersucht, also dort, wo er normalerweise vorkommt, nämlich am Bakterium“, sagt Henning Stahlberg von der Universität Basel.
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Eiskalt erwischt
Dazu nutzten die Forscher ein äußerst frostiges Verfahren. Bei der sogenannten Kryo-Elektronenmikroskopie werden die Bakterien auf bis zu -193 Grad Celsius abgekühlt und aus verschiedenen Richtungen fotografiert. Dabei entstehen viele zweidimensionale Bilder, die anschließend zu einer dreidimensionalen räumlichen Darstellung verrechnet werden. So fanden die Wissenschaftler heraus, dass das Injektosom von Yersinia enterocolitica ein vergleichsweise großer Molekülkomplex aus rund 30 Proteinen ist. Vergleiche von über 2000 Injektosomen von etwa 300 Bakterien ergaben weitere neue Erkenntnisse: Der Einzeller ist offenbar in der Lage, sein Angriffswerkzeug auszudehnen und zusammenzuziehen.
Spritzen trotzen starken Strapazen
„Die Länge der Basis der einzelnen Injektionsapparate schwankt stark, teils um rund zehn Nanometer, also zehn Millionstel eines Millimeters. Sie kann – wie eine Feder – gedehnt oder gestaucht werden“, erläutert Stefan Schmelz vom HZI, einer der Erstautoren der Studie. Y. enterocolitica selbst ist nur rund hundert mal größer. Die Relationen sind also durchaus erstaunlich. Dirk Heinz vom HZI erklärt, wozu die Teleskopfunktion gut sein soll: „Bakterien sind erheblichen Kräften ausgesetzt, sei es beim Kontakt mit anderen Zellen oder wenn sich beispielsweise der Salzgehalt der Umgebung ändert“. Die Zellhüllen würden diesen Kräften nicht standhalten, wenn die Injektionsapparate starr aufgebaut wären, so der Biologe weiter. In dieser Folge von biotechnologie.tv wird das Heidelberger Schüler-iGEM-Team vorgestellt und Braunschweiger Forscher berichten wie sie Schwachstellen des Pesterregers aufdecken.Quelle: biotechnologie.tv
Andere Erreger injizieren ähnlich
Die dynamische Eigenschaft der Bakterienspritzen haben die Forscher bereits bei anderen Krankheitserregern nachgewiesen. Shigellen oder der Darmkrebs-auslösende Erreger Helicobacter pylori beispielsweise nutzt ähnliche Infektionsmechanismen (mehr...). Weil die molekulare Beschaffenheit der verschiedenen Injektosome offenbar recht ähnlich ist, können die Studienergebnisse möglicherweise auch auf weitere Keime übertragen werden. Die Strukturbiologen hoffen nun, dass ihre Erkenntnisse für Therapieansätze genutzt werden können (mehr...). Würde es gelingen, die Spritzen der Darmkeime therapeutisch zu hemmen, könnte man die Bakterien möglicherweise unschädlich machen. Andere Vertreter der Gattung Yersinia sind ebenfalls im Fokus der Infektionsforschung: Yersinia pestis beispielsweise ist auch heute noch für vereinzelte Infektionswellen der Pest verantwortlich (mehr...).
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