Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn Bakterien die Grippe bekommen und ihre Messer wetzen

31.03.2011
Neuer Weg zur Aktivierung des bakteriellen Immunsystems entdeckt

Auch Mikroorganismen können durch Viren infiziert werden. Folglich haben sie Abwehrmechanismen entwickelt, um feindliche Angriffe abwehren zu können. Erst kürzlich wurde bei Bakterien und Archaeen der Gen-Protein-Komplex CRISPR/Cas entdeckt, der als Immunsystem fremde Gene unschädlich macht. Das System, das auch als prokaryotische RNA-Interferenz bekannt ist, besteht aus Proteinen und kurzen RNA-Molekülen (crRNAs), die feindliche Gene blockieren.

Ein wichtiger Teil der Aktivierung des mikrobiellen Immunsystems ist die Reifung der crRNAs. Wissenschaftler im schwedischen Umeå haben jetzt in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Würzburg einen neuen Weg gefunden, der zur Aktivierung der crRNAs führt. Die Ergebnisse werfen neues Licht auf die Übertragung von Virulenz bei Krankenhauskeimen und die Immunität von Bakterienstämmen bei der Herstellung von Milchprodukten (Nature, 31. März 2011).

Mikroorganismen sind ständigen Angriffen durch Viren, Bakteriophagen genannt, oder ringförmigen Nukleinsäuren anderer Bakterien, Plasmiden, ausgesetzt. Diese fremden Gene können das Genom des Wirts zur Selbstzerstörung umprogrammieren oder ihm neue Eigenschaften zur Antibiotika-Resistenz verleihen.

Um sich gegen eine Infektion zu schützen, entwickelten Mikroorganismen ein ausgeklügeltes Abwehrsystem. CRISPRs ist die Abkürzung für die englische Bezeichnung Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Dies sind Genabschnitte für ein Protein (Cas) und zusätzlich sogenannten Spacern, Abschnitten, die spezifisch fremde Gene erkennen und deren Zerstörung bestimmen. Zwischen diesen kodierenden Gensequenzen befinden sich wiederholende gleiche Genabschnitte. Das mikrobielle Immunsystem ist sehr komplex und es existieren viele Subtypen, die sich in der Kombination der beteiligten Genabschnitte unterscheiden.

Der CRISPR/CAS Mechanismus ist erst seit wenigen Jahren bekannt und viele Details um seine Regulation und Mechanismen sind noch unklar. Völlig neue Erkenntnisse liefert nun die Forschungsarbeit von Dr. Emmanuelle Charpentier und ihrem Team am Labor für Molekulare Infektionsmedizin (MIMS) im schwedischen Umeå in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Jörg Vogel am Institut für Molekulare Infektionsbiologie (IMIB) der Universität Würzburg, Deutschland.

Wie funktioniert das Immunabwehrsystem CRISPR/Cas in Mikroorganismen? Wenn Bakterien und Archaeen Virus- oder Plasmid-Angriffen ausgesetzt sind, werden kurze Stücke von der feindlichen DNA injiziert und in den CRISPR-Genkomplex eingebaut. Diese Veränderung des Genoms führt zur Umprogrammierung der mikrobiellen Wirtszelle, die die eingebauten Genabschnitte als immunologisches Gedächtnis nutzt und der Zelle Immunität gegen künftige Infektionen mit den gleichen Genen verleiht. Im nachfolgenden Prozess, der crRNA-Reifung, bildet die Wirtszelle RNA-Moleküle, die dem CRISPR-Komplex korrespondieren. Diese RNA-Moleküle werden in spezifische Sequenzen gespalten und im letzten Schritt der Immunreaktion, dem sogenannten Stilllegen der fremden Gene, erkennen diese kurzen crRNA-Stückchen das Fremdgenom wieder und führen es der zellulären Abbaumaschine zur Zerstörung zu.

Bisherige Forschung ging davon aus, dass bei allen Reaktionen des Immunsystems die Beteiligung von Cas-Protein ausreicht. Die neusten Forschungsergebnisse von Charpentier und ihren Kollegen zeigen jetzt, dass zusätzliche Faktoren im Wirtsgenom für die Aktivierung des CRISPR-Mechanismus benötigt werden, die an RNA-Interferenz bei höheren Organismen erinnern.

“Wir haben die CRISPR/Cas-Immunreaktion in unserem Modellorganismus, Streptococcus pyogenes, einem humanpathogenen Bakterium untersucht“, erklärt Dr. Emmanuelle Charpentier, die die Studie leitete und ehemals an den Max F. Perutz Laboratories in Wien, Österreich, tätig war. „Völlig überraschend entdeckten wir einen neuen Reaktionsweg zur Aktivierung von CRISPR, bei dem - bisher völlig unbekannt - drei neue Faktoren an der Reifung der crRNA beteiligt sind: (1) kurze RNA-Stücke (small RNA), (2) ein Protein des Wirts, Endoribonuklease III genannt, und (3) ein bisher unbekanntes Protein Csn1.“

“Das Zusammenspiel dieser Faktoren führt zu einem besonders exakten Abwehrmechanismus“, erklärt Charpentier. „Das kleine Erkennungs-RNA –Molekül bindet jeweils an der sich wiederholenden Stelle der CRISPRs-Vorläufer RNA. Dieser Komplex wird dann von der bakterieneigenen Endoribonuklease III erkannt und spaltet unter Mithilfe von Csn1 die RNA in die kurzen crRNA-Stückchen. Diese können die fremden Gene in Zukunft korrekt erkennen und beseitigen.“ Bei Eukaryoten sind es die Enzyme Dicer und Drosha, die mit den Endoribonukleasen III zusammenwirken und zur Bildung von kleinen interferierenden RNA-Molekülen führen.

„So gesehen, haben wir nun gezeigt, dass der bakterielle Mechanismus zur Reifung von crRNA unter Beteiligung von Endoribonuklease III während der Evolution zu Eukaryonten konserviert blieb“, erklärt Charpentier. “Dies zeigt, dass das CRISPR/Cas System in vielen Varianten in unterschiedlichen Organismen vorkommen kann. Zusätzlich stellt sich nun die Frage, ob vielleicht noch weitere Faktoren der bakteriellen Wirtszelle bei Immunabwehr benötigt werden könnten. Dies werden künftige Forschungsprojekte zeigen.“

“Der neue Reaktionsweg schützt die Bakterien davor, von Phagen abgetötet zu werden“, fährt Charpentier fort. “Wir konnten zeigen, dass dieser Mechanismus die Bakterien vor der Übertragung weiterer Krankheitsfaktoren durch Viren schützt. Bei Erregern, die wir in Krankenhäusern isolierten, verhinderte das CRISPR-System die Übertragung von Virulenzfaktoren. Damit könnte CRISPR auch einen alternativen Ansatz zur Bekämpfung von resistenten Krankheitserregern in Kliniken eröffnen.“

“Alternativ kann die besondere Förderung des neuen Signalweges bei nützlichen Bakterienstämmen dazu führen, dass Nutzorganismen gegen zerstörerische Viren-Angriffe resistent bleiben und nicht verändert werden. Dies könnte beispielsweise zu höherer mikrobieller Stabilität in der Produktion von Molkereiprodukten führen. “

Anfragen bitte an:

Dr. Emmanuelle Charpentier
The Laboratory for Molecular Infection Medicine Sweden (MIMS) and the
Umeå Centre for Microbial Research UCMR
Umeå University
90187 Umeå Sweden
emmanuelle.charpentier@mims.umu.se
http://www.mims.umu.se http://www.ucmr.umu.se
Originalpublikation:
Elitza Deltcheva, Krzysztof Chylinski, Cynthia M. Sharma, Karine Gonzales, Yanjie Chao, Zaid A. Pirzada, Maria R. Eckert, Jörg Vogel & Emmanuelle Charpentier; CRISPR RNA maturation by trans-encoded small RNA and host factor RNase III. Nature 31 March 2011 (doi:10.1038/nature09886).

Die schwedisch-deutsche Forschungs-Zusammenarbeit wurde durch den schwedischen Forschungsrat, die Deutsche Forschungsgemeinschaft, das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung und die Europäische Union finanziert.

Das Labor für Molekulare Infektionsmedizin Schweden, MIMS, ist der schwedische Teil der nordischen EMBL-Partnerschaft für Molekulare Medizin. Die Erforschung der molekularen Mechanismen von Infektionen und die Entwicklung neuer antimikrobieller Strategien stehen im Fokus der Forschung. MIMS ist Teil des Forschungskonsortiums „Umeå Centre for Microbial Research UCMR. Weitere Information zum Labor: http://www.mims.umu.se.

Das Institut für Molekulare Infektionsbiologie (IMIB) ist eine interdisziplinäre Einrichtung der Medizinischen Fakultät der Universität Würzburg. Die Forschung konzentriert sich auf die Erreger von Infektionskrankheiten. Die Forschungsschwerpunkte liegen auf der Analyse molekularer Mechanismen der Genregulation in krankheitserregenden Bakterien, Parasiten und Pilzen, sowie Abwehrreaktionen von Wirten. http://www.infektionsforschung.uni-wuerzburg.de

Eva-Maria Diehl | idw
Weitere Informationen:
http://www.infektionsforschung.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Kaltwasserkorallen: Versauerung schadet, Wärme hilft
27.04.2017 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

nachricht Auf dem Gipfel der Evolution – Flechten bei der Artbildung zugeschaut
27.04.2017 | Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen

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: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

Jenaer Akustik-Tag: Belastende Geräusche minimieren - für den Schutz des Gehörs

27.04.2017 | Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

VLC 200 GT von EMAG: Neue passgenaue Dreh-Schleif-Lösung für die Bearbeitung von Pkw-Getrieberädern

27.04.2017 | Maschinenbau

Induktive Lötprozesse von eldec: Schneller, präziser und sparsamer verlöten

27.04.2017 | Maschinenbau

Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

27.04.2017 | Informationstechnologie