Resistenzen: E. coli pumpt Antibiotika weg

21. Oktober 2014
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Multiresistente Bakterien sind eine ernste Bedrohung für die Gesundheit. Wie genau die Abwehrmechanismen der Bakterien funktionieren, ist immer noch weitgehend unklar. Ein Fortschritt bei der Aufklärung von Resistenzen gelang nun anhand des Darmbakteriums E. coli.

E. coli besitzt in seiner doppelten Zellmembran eine Pumpe, die eingedrungene toxische Substanzen wie Antibiotika wieder nach außen befördern kann. Diese Pumpe, das AcrB-Protein, besteht aus zwei Bereichen. Bereits vor einigen Jahren hat die Arbeitsgruppe von Prof. Martin Pos am Institut für Biochemie der Goethe-Universität Frankfurt die Funktionsweise der Pumpe in der Domäne zwischen den zwei Membranen, dem Periplasma, aufgeklärt. Sie arbeitet wie die Darmperistaltik oder eine Quetschpumpe. „Es handelt sich um einem Zyklus mit drei Phasen, entsprechend drei verschiedenen Konformationen der Proteinpumpe“, erläutert Martin Pos. 

Zunächst wird das Antibiotikum erkannt und locker gebunden, im nächsten Zustand im inneren der Pumpe fest gebunden, und im dritten durch das Protein hindurch gequetscht und nach außen entlassen.

Röntgenstrukturanalyse zeigt Pumpmechanismus

Nun hat die Gruppe auch die Funktion der Transmembrandomäne aufgeklärt: Sie befindet sich in der innere Membran der Gram-negativen E. coli Zelle und liefert die Energie für den Antibiotika-Transport. Auch diese Domäne durchläuft während des Transportes einen Zyklus mit drei Phasen.

Der „Treibstoff“ für die AcrB-Pumpe sind Protonen, die über die Transmembrandomäne in die Zelle aufgenommen werden. Wie das funktioniert, hat die Arbeitsgruppe von Pos herausgefunden, in dem sie zunächst die drei-dimensionale Struktur mehrerer Varianten der AcrB Pumpe mittels Röntgenstrukturanalyse analysierte.

In Computersimulationen machte die Arbeitsgruppe von Dr. José Faraldo-Gómez vom National Institute of Health (NIH) in den USA, der vorher am Max-Planck Institut für Biophysik in Frankfurt war, den Mechanismus sichtbar. „Der Protonentransport induziert eine Bewegung ähnlich wie beim Zylinder eines Kolbenmotors“, erläutert Martin Pos. „Und obwohl die Transmembrandomäne weit entfernt liegt von der Domäne, welche die Antibiotikamoleküle nach außen transportiert, sieht es so aus, als wären die alternierenden Zyklen der beiden Domänen strikt gekoppelt“

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Oben: AcrB-Pumpe, mit deren Hilfe E.Coli-Bakterien eingedrungene Antibiotika (grün) aus der Zelle befördern. Antrieb ist ein Gradient aus Protonen (H+). Dabei wird die freigesetzte Energie von der Transmembrandomäne (schwarz umrandet) durch zwei Helices (rot) zu der Antibiotika-transportierenden Domäne übertragen. Unten: Die Transmembrandomäne in ihren drei verschiedenen Zuständen. © Goethe-Universität Frankfurt am Main

Möglicherweise neue Ansätze gegen multiresistente Bakterien

Die Erkenntnisse, die im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Transport und Kommunikation durch biologische Membranen“ an der Goethe Universität und der europäischen „Innovative Medicines Initiation“ (IMI) gewonnen wurden, liefern möglicherweise neue Ansätze im Kampf gegen multiresistente Bakterien.

„AcrB ist ein Modellprotein, welches sehr nahe Verwandte hat in anderen multiresistenten pathogenen Bakterien, wie zum Beispiel Acinetobacter baumannii. Beim Menschen gibt es auch verwandte Proteine, die möglicherweise nach einem ähnlichen Mechanismus funktionieren. Sie transportieren jedoch nicht Antibiotika, sondern spielen eine wesentliche Rolle bei der Regulation des Cholesterin-Gehalts in den Zellen oder der Entwicklung des Embryos“, so Pos über die weiteren Anwendungsfelder des Forschungsergebnisses.

Originalpublikation:

Coupling of remote alternating-access transport mechanisms for protons and substrates in the multidrug efflux pump AcrB
Martin Pos et al.; eLife, doi: 10.7554/eLife.03145; 2014

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