Wie Bakterien ihre Wirtszellen mit klebrigen Lollis angreifen

Yersinia enterocolitica ist ein krankheitserregendes Bakterium, das Fieber und Durchfall auslöst. Mit Hilfe eines in seiner Membran verankerten Proteins heftet es sich an Wirtszellen an und infiziert sie. Forscher des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie in Tübingen und des Leibniz-Instituts für Molekulare Pharmakologie (FMP) in Berlin haben die Struktur eines wichtigen Bestandteils dieses Membranproteins aufgeklärt und Informationen über seine Biogenese gewonnen. Die Membranproteine könnten ein interessanter Ansatzpunkt für die Entwicklung neuer Antibiotika gegen Krankheitserreger sein.

Eine Reihe von Erkrankungen geht auf eine Infektion mit Yersinia enterocolitica zurück: bei Säuglingen und Kleinkindern verursachen die Bakterien Fieber und Durchfälle, bei Jugendlichen und Erwachsenen Entzündungen des Dünndarms und verschiedene entzündliche Gelenkerkrankungen. Die Yersinien werden direkt von Tieren, vor allem Schweinen, übertragen, zum Beispiel über nicht ausreichend erhitztes Fleisch. Bestimmte Membranproteine der Bakterien, die Adhäsine, sehen nicht nur wie Lollis aus, sondern kleben auch wie diese. Bakterien können damit an Wirtszellen andocken und in sie eindringen. An die Oberfläche der Bakterien gelangen Adhäsine über einen komplexen Mechanismus, der als Autotransport bezeichnet wird. Die Forscher haben sich bei ihren Untersuchungen auf die Domäne des komplexen Proteins konzentriert, die den Transport des Außenteils bewerkstelligt. „Diese Studie war nur in einer echten Kooperation möglich“, sagt Dirk Linke vom Max-Planck-Institut. Gefördert wurde sie vom „Forschungsprogramm Methoden für die Lebenswissenschaften der Baden-Württemberg Stiftung“.

Proteine, die in der Membran sitzen, lassen sich häufig nur schlecht isolieren, in reiner Form gewinnen und kristallisieren. Das macht sie für viele Untersuchungsmethoden nur schwer zugänglich. Die Forscher wählten daher die Kernspinresonanzspektroskopie an Festkörpern, um Strukturinformationen über die fragliche Proteindomäne zu gewinnen. „Außerdem ermöglicht die Kernspinresonanz auch direkte Einblicke in die Dynamik des Transports“, erklärt Barth van Rossum vom Leibniz-Institut.

Yersinien gehören zu den sogenannten gram-negativen Bakterien, die von einer äußeren Doppelwand mit besonderer Struktur umgeben sind. Zu dieser Gruppe gehören viele weitere Krankheitserreger, die Durchfälle oder Infektionen der Harn- und Atemwege verursachen, wie Salmonellen, Legionellen oder der Cholera-Erreger. Die Forscher gehen davon aus, dass viele von ihnen ähnliche Membranproteine wie Yersinien bei der Infektion nutzen. „In menschlichen Zellen kommt dieser Typ Membranprotein dagegen nicht vor“, sagt Dirk Linke. Die Hoffnungen gehen dahin, das Wissen über die Autotransporter-Membranproteine für die Entwicklung neuer Wirkstoffe nutzen zu können, die den Transportprozess an der Membran krankheitserregender Bakterien vor der Anheftung an die Wirtszelle gezielt blockieren. Bis dahin ist es jedoch noch ein weiter Weg. Die Forscher wollen nun zunächst an der untersuchten Proteindomäne systematisch die besonders flexiblen Bereiche verändern, um den Mechanismus genauer zu begreifen.

Originalpublikationen

Shakeel A. Shahid, Benjamin Bardiaux, Trent Franks, Ludwig Krabben, Michael Habeck, Barth-Jan van Rossum, Dirk Linke: Membrane protein structure determination by solid-state NMR spectroscopy of microcrystals. Nature Methods, 2012; doi: 10.1038/NMETH.2248

Shakeel A. Shahid, Stefan Markovic, Dirk Linke & Barth-Jan van Rossum: Assignment and secondary structure of the YadA membrane protein by solid-state MAS NMR. Scientific Reports (2012); doi: 10.1038/srep00803

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