Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Angriffswerkzeug der Bakterien hochaufgelöst in 3D

21.05.2012
Pest, Bakterienruhr und Cholera haben eines gemeinsam: Sie werden von Bakterien ausgelöst, die ihren Wirt mit einem ausgeklügelten Injektionsapparat infizieren.

Über nadelartige Strukturen spritzen sie molekulare Wirkstoffe in ihre Wirtszellen und überlisten so deren Immunabwehr. Forscher vom Göttinger Max-Planck-Institut (MPI) für biophysikalische Chemie haben in Zusammenarbeit mit Kollegen am Berliner MPI für Infektionsbiologie und der University of Washington in Seattle (USA) jetzt die Struktur einer solchen Nadel im atomaren Detail aufgeklärt. Ihre Erkenntnisse könnten dazu beitragen, Medikamente maßzuschneidern und Strategien zu entwickeln, die den Infektionsprozess gezielt verhindern.


Bakterielle Infektion von Wirtszellen: Begeißelte Erreger des Typs Salmonella typhimurium (orange) nehmen Kontakt mit einer menschlichen Wirtszelle (blau) auf. Bild: Christian Goosmann, Diane Schad, Rashmi Gupta, Michael Kolbe


Aus Shigella flexneri isolierte Spritzen. Die Zugabe von Nadelprotein führt zu einer spontanen Verlängerung einiger Nadeln. Die Länge des Balkens entspricht 100 Nanometer (1 Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter). Bild: Christian Goosmann, Michael Kolbe

Es ist ein tückisches Werkzeug, das die Erreger von Pest oder Cholera so gefährlich macht. In Form hunderter winziger hohler Nadeln ragt es aus der Bakterienmembran heraus. Diese Miniatur-Spritzen bilden zusammen mit der in die Membran eingebetteten Basis das sogenannte Typ III-Sekretionssystem – einen Injektionsapparat, mit dem die Erreger molekulare Wirkstoffe in das Innere ihrer Wirtszellen einschleusen. Dort manipulieren die Substanzen wichtige Stoffwechselvorgänge und setzen die Immunabwehr der infizierten Zellen außer Gefecht – mit fatalen Folgen. Der Erreger kann sich nun ungehindert im Organismus ausbreiten. Einmal infiziert, helfen bislang traditionelle Antibiotika. Einzelnen Bakterienstämmen allerdings gelingt es immer wieder, Resistenzen zu bilden. Spezifischere Medikamente zu entwickeln ist daher ein wichtiges Ziel vieler Forschungsgruppen weltweit.

Atom für Atom wird die Struktur sichtbar

Die genaue Struktur der 60 bis 80 Nanometer (millionstel Millimeter) langen und rund acht Nanometer breiten Nadeln blieb Forschern bislang verborgen. Klassische Methoden wie die Röntgenkristallographie oder die Elektronenmikroskopie versagten bisher oder ergaben falsche Modellstrukturen. Nicht kristallisierbar und unlösbar widersetzte sich die Nadel allen Versuchen, ihren atomaren Aufbau zu entschlüsseln. Ein Team von Physikern, Biologen und Chemikern um Adam Lange und Stefan Becker am MPI für biophysikalische Chemie in Göttingen wählte daher einen völlig neuen Ansatz. In Kooperation mit David Baker an der University of Washington und Michael Kolbe am MPI für Infektionsbiologie stellten die Wissenschaftler die Nadel im Labor her und kombinierten Festkörper-NMR-Spektroskopie, Elektronenmikroskopie und Computermodellierung – mit Erfolg: Atom für Atom haben die Forscher die Struktur der Nadel aufgeklärt und ihren molekularen Aufbau erstmals im Ångström-Bereich sichtbar gemacht – das ist eine Auflösung von weniger als einem Zehntel eines millionstel Millimeters.

Fortschritte auf mehreren Gebieten waren dafür nötig. „Methodisch sind wir einen großen Schritt vorangekommen, beim Herstellen der Proben ebenso wie bei der Festkörper-NMR-Spektroskopie“, sagt Lange. „Nicht zuletzt konnten wir in der Abteilung NMR-basierte Strukturbiologie von Christian Griesinger an einem der derzeit leistungsfähigsten Festkörper-NMR-Spektrometer weltweit messen.“ Das Magnetfeld dieses 850 Megahertz-Spektrometers ist mit 20 Tesla rund 400 000-mal so stark wie das der Erde.

Eine wandelbare Oberfläche trickst das Immunsystem aus

„Der Bauplan der Nadeln barg für uns große Überraschungen“, erzählt Lange. Die Nadeln von Erregern so unterschiedlicher Krankheiten wie Salmonellenvergiftung, Bakterienruhr oder Pest zeigen auffällige Gemeinsamkeiten – wie erwartet. Doch anders als bisher vermutet ist es der innere Teil der Nadeln, der bei den unterschiedlichen Erregern auffallend ähnlich aufgebaut ist. Die Oberfläche der Nadel dagegen ist erstaunlich variabel. „Diese Wandelbarkeit könnte eine Strategie der Bakterien sein, um der Immunabwehr des Wirts zu entkommen“, meint Kolbe. Veränderungen auf der Nadeloberfläche könnten es dem Immunsystem des Wirts erschweren, den Erreger wiederzuerkennen.

Der Injektionsapparat der Bakterien beschäftigt die Wissenschaftler Lange, Kolbe, Becker und ihre Max-Planck-Kollegen Christian Griesinger und Arturo Zychlinsky schon seit mehreren Jahren. Bereits 2010 hatten sie gemeinsam mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung herausgefunden, wie Bakterien ihre Miniatur-Spritzen zusammenbauen. Dass die Forscher nun auch ihren Bauplan im atomaren Detail kennen, ermöglicht nicht nur wichtige neue Einblicke, wie diese Erreger ihre Wirtszellen überlisten. Es eröffnet zugleich die Perspektive, den Aufbau der Spritze und das Einschleusen der bakteriellen Wirkstoffe in die Wirtszelle mit einem maßgeschneiderten Molekül zu blockieren. Solche Substanzen, Anti-Infektiva genannt, könnten spezifischer und zu einem viel früheren Zeitpunkt der Infektion wirken als traditionelle Antibiotika. „Unser neues Verfahren erlaubt es uns endlich, die Nadeln im Labor in größerer Menge herzustellen. Unser Ziel ist es nun, Hochdurchsatzverfahren zu entwickeln, um nach neuen Wirkstoffen zu suchen, die die Nadelbildung verhindern“, erklärt Stefan Becker.

Originalveröffentlichung
Antoine Loquet, Nikolaos G. Sgourakis, Rashmi Gupta, Karin Giller, Dietmar Riedel, Christian Goosmann, Christian Griesinger, Michael Kolbe, David Baker, Stefan Becker, and Adam Lange: Atomic Model of the Type III Secretion System Needle. Nature, 20. Mai 2012, doi:10.1038/nature11079.
Kontakt:
Dr. Adam Lange
Forschungsgruppe Festkörper-NMR-Spektroskopie
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
Tel.: +49 551 / 201-2214
E-Mail: adla@nmr.mpibpc.mpg.de
Dr. Stefan Becker
Gruppe Molekularbiologie der Abteilung NMR-basierte Strukturbiologie
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
Tel.: +49 551 / 201-2222
E-Mail: sabe@nmr.mpibpc.mpg.de
Dr. Michael Kolbe
Forschungsgruppe Funktion und Struktur von Typ III-Sekretionssystemen
Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie, Berlin
Tel.: +49 30 / 28460-332
E-Mail: kolbe@mpiib-berlin.mpg.de
Dr. Carmen Rotte, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
Tel.: +49 551 / 201-1304
E-Mail: crotte@gwdg.de

Dr. Carmen Rotte | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpibpc.mpg.de/research/ags/lange/index.html
http://www.mpg.de/5801052/bakterien_sekretionssystem
http://www.mpiib-berlin.mpg.de/de/forschung/zellmikro.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut
20.10.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Aus der Moosfabrik
20.10.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise