Bakterien: Schutzanzüge nach Maß

17. Dezember 2014
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Eine Art Schutzanzug bewahrt viele Bakterien vor chemischer Verletzung und hilft ihnen, sich vor dem Immunsystem zu verstecken. Sie produzieren die Hülle in Form von Ketten aus einzelnen Bausteinen. Um Ketten der richtigen Länge herzustellen, benutzen sie ein molekulares Lineal.

Viele Bakterien schneidern sich eine Art „Schutzanzug“, um widrigen Umweltbedingungen wie Chemikalien oder mechanischer Beanspruchung zu trotzen. Die dafür erforderlichen Lipopolysaccharide stellen sie selbst her, indem sie Bausteine aus fettähnlichen („Lipo-„) und Zucker-Bestandteilen („Polysaccharide“) zu Ketten zusammenfügen. „Anhand der Zusammensetzung und der typischen Länge der Lipopolysaccharide lassen sich Bakterienarten unterscheiden“, sagt Dr. Gregor Hagelüken vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn. Diese Schutzhülle spielt auch bei Infektionen eine wichtige Rolle, da sie die erste Kontaktstelle zwischen Bakterium und Wirt ist. Sie dient dabei auch als Schutz vor Zerstörung durch das Immunsystem des Wirts. Aus der Umhüllung können darüber hinaus giftige Substanzen – sogenannte Endotoxine – freigesetzt werden, wenn die Bakterienzelle abstirbt.

Durch Wiederholung der Zuckerbausteine ließe sich die Kette im Prinzip beliebig lang gestalten. „Theoretisch könnten Bakterien ein unendlich langes Lipopolysaccharid synthetisieren. Sie würden dann aber wahrscheinlich verhungern, weil sämtliche Ressourcen für die Schutzhülle aufgebraucht würden“, erläutert Dr. Hagelüken. Die Wissenschaft rätselte deshalb bislang, wie es die Einzeller schaffen, Ketten in einer ganz bestimmten Länge herzustellen. Nun ist das Rätsel gelöst: Die Bakterien nutzen eine Art molekulares Lineal, hat Dr. Hagelüken nun zusammen mit einem Forscherteam der Universität St. Andrews (Schottland), der Universität Guelph (Ontario, Kanada) und des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie in Hamburg herausgefunden.

Das Lineal besteht aus drei ineinander verwundenen Proteinsträngen

Wie schon länger bekannt ist, sorgt ein „WbdA“ genanntes Protein als Starter dafür, dass die einzelnen Bausteine zur Kette zusammengefügt werden. Sein Gegenspieler „WbdD“ beendet als Stopper den Prozess des Verknüpfens. „Das Lineal ist aus drei ineinander verwundenen Proteinsträngen aufgebaut und dient als Abstandshalter zwischen Starter und Stopper. Erst wenn die Lipopolysaccharidkette lang genug ist und das Ende des Lineals erreicht, kann WbdD die Kettenbildung beenden“, sagt Dr. Hagelüken. Das produzierte Lipopolysaccharid ist dann genauso lang wie das Lineal.

Der Biophysiker hat zunächst an der Universität St. Andrews im Labor von Prof. James Naismith begonnen, mit kristallographischen Methoden die räumlichen Strukturen der beteiligten Moleküle zu untersuchen. Nach seinem Wechsel an die Universität Bonn führten sie die Forschungsarbeiten weiter. Zusammen mit den Methoden der anderen Forschungsgruppen, wie zum Beispiel Synchrotron-Kleinwinkelstreuung und -Circulardichroismus, konnte schließlich der Aufbau der verschiedenen Moleküle und ihr Zusammenspiel entschlüsselt werden. „Erst anhand der Strukturbilder kamen wir auf die Idee, dass die Bakterien ein molekulares Lineal verwenden“, sagt Dr. Hagelüken.

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Bakterien benutzen ein molekulares Lineal, um Lipopolysaccharidmoleküle der richtigen Länge herzustellen. © Gregor Hagelüken/Uni Bonn

Forscher variierten die Länge des Lineals

Die kanadischen Forscher überprüften die Hypothese, indem sie die Länge des Lineals in lebenden Zellen des Modellbakteriums „Escherichia coli O9a“ veränderten. Die Ergebnisse beweisen die Vermutung: War das molekulare Lineal der Einzeller kürzer justiert, dann waren auch die Lipopolysaccharidketten kürzer. Gaben die Forscher einen längeren Abstandshalter vor, produzierte auch das Bakterium seinen Schutzanzug aus längeren Ketten.

Das Ergebnis aus der Grundlagenforschung hat durchaus praktische Bedeutung: Solche Kettenbildungen sind in der Natur häufig und werden auch in der chemischen Industrie angewendet. „Deshalb ist denkbar, dass solche molekularen Lineale auch für chemische Synthesen in der Industrie interessant sein könnten“, erläutert Dr. Hagelüken. Die Schutzanzüge sind lebenswichtig für die Bakterien. Deshalb stellen die Lineale ein interessantes Ziel für die Entwicklung neuer Medikamente dar, mit denen man die Schutzanzüge vielleicht löchrig machen könnte.

Originapublikation:

A coiled-coil domain acts as a molecular ruler to regulate O-antigen chain length in lipopolysaccharide
Gregor Hagelueken et al.; Nature Structural and Molecular Biology, doi: 10.1038/nsmb.2935; 2014

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Forschung, Medizin

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