Wie Bakterien ihre Spritzen aufziehen
Krankmachende Bakterien nutzen molekulare " Shuttle-Services ", um ihren
Injektionsapparat mit dem passenden Inhalt zu füllen
Viele bakterielle Krankheitserreger benutzen Spritzen im Kleinstmaßstab,
um Zellen ihrer Wirte, beispielsweise des Menschen, zu beeinflussen und
sich im Körper ausbreiten zu können. Dabei müssen sie ihre Spritzen immer
mit dem passenden Injektionsmittel befüllen. Eine Technik, mit der sich
die individuelle Bewegung von Proteinen verfolgen lässt, hat nun enthüllt,
wie Bakterien diese anspruchsvolle Aufgabe lösen.
Krankmachende Bakterien der Gattung Salmonella oder Yersinia sind in der
Lage, mit winzigen Schussapparaten schädigende Proteine gezielt in
Wirtszellen zu injizieren - zum Leidwesen der Infizierten. Der
Injektionsmechnismus dieser sogenannten Typ III-Sekretions-Systeme, kurz
auch „Injektisome“, wird jedoch nicht nur im Hinblick auf die
Krankheitsbekämpfung erforscht. Wären Bau und Funktion des Injektisoms
genau bekannt, könnte man es kapern, um gezielt bestimmte Wirkstoffe in
Zellen – zum Beispiel Krebszellen – einzuschleusen. Tatsächlich konnte die
Struktur der Injektisome mittlerweile aufgeklärt werden. Unklar blieb es
jedoch bislang, wie die Bakterien ihre Spritzen beladen, damit die
richtigen Proteine zum richtigen Zeitpunkt injiziert werden.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Andreas Diepold vom Max
Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und Prof. Dr.
Ulrike Endesfelder von der Universität Bonn ist es nun gelungen, Antworten
auf diese Frage zu finden. Mobile Bestandteile des Injektisoms durchkämmen
die Bakterienzelle auf der Suche nach den Proteinen, die injiziert werden
sollen, sogenannten Effektoren. Treffen sie auf einen Effektor, liefern
sie ihn, wie ein Shuttle-Bus, an der Pforte der Injektionsnadel ab.
„Wie Proteine der Sortierplattform im Zytosol an Effektoren binden und die
Ladung zum Export-Gate des membrangebundenen Injektisoms liefern, erinnert
an die Abläufe an einem Fracht-Terminal“ erklärt Dr. Stephan Wimmi, als
Postdoktorand in Andreas Diepolds Labor und Erstautor der Studie. „Wir
denken, dass dieser Shuttle-Mechanismus dazu beiträgt, die Injektion
effizient und spezifisch zugleich zu machen – schließlich müssen die
Bakterien schnell die korrekten Proteine injizieren, um nicht
beispielsweise vom Immunsystem erkannt und eliminiert zu werden.“
Für diesen Einblick in den wichtigen Lademechanismus des Injektisoms
mussten die Forschenden neue Techniken anwenden. „Herkömmliche Methoden,
mit denen man normalerweise nachweist, dass Proteine einander binden,
haben für diese Frage nicht funktioniert – möglicherweise, weil die
Effektoren nur kurz gebunden und dann direkt injiziert werden“, erklärt
Andreas Diepold, Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut. „Deshalb
mussten wir diese Bindung vor Ort und Stelle in den lebenden Bakterien
untersuchen.“
„Zur Analyse der Interaktionen nutzten wir zwei neuartige Ansätze, die in
lebenden Zellen funktionieren: proximity labeling und single particle
tracking“, fügt Ulrike Endesfelder hinzu, deren Forschungsgruppe an drei
Orten an dem Projekt arbeitete, in Marburg, der Carnegie Mellon University
in Pittsburgh und in Bonn. Das „proximity labeling“, bei dem ein Protein
seine unmittelbaren Nachbarn wie mit einem Pinsel markiert, zeigte den
Forschenden, dass die Effektoren im Bakterium an die mobilen Injektisom-
Bestandteile binden. Diese Bindung wurde dann mittels „single particle
tracking“, einer hochauflösenden Mikroskopiemethode, die einzelne Proteine
verfolgen kann, genauer untersucht. Erst diese Methoden, die das Team als
„in situ biochemistry“, also biochemische Untersuchungen an Ort und
Stelle, bezeichnet, erlaubten den Durchbruch, der jetzt im Fachjournal
„Nature Microbiology“ publiziert wurde.
Mit Hilfe ihrer Arbeitsmethode wollen die Forschenden jetzt auch weitere
Mechanismen untersuchen, die Bakterien für Infektionen benutzen, wie
Andreas Diepold sagt. „Je mehr wir darüber wissen, wie Bakterien diese
Systeme während einer Infektion einsetzen, desto eher können wir
verstehen, wie man diese Systeme beeinflussen kann – sei es, um
Infektionen zu verhindern, oder die Systeme umzubauen, um sie in Medizin
oder Biotechnologie selbst zu nutzen.“
