Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gleich und doch anders

21.04.2017

Ein Forscherteam am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) hat einen Mechanismus entdeckt, durch den Bakterien mit demselben Genotyp einen unterschiedlichen Phänotyp haben können. Dieser kann ein Sprungbett für die Entwicklung von Resistenzen gegenüber Antibiotika sein. Ihre Studie erscheint heute in Science.

Bakterienpopulationen stellen ForscherInnen vor ein Rätsel: in sogenannten isogenen Populationen haben alle Bakterien dieselben Gene, verhalten sich aber trotzdem unterschiedlich, indem sie etwa unterschiedlich schnell wachsen.


Die Mutterzelle erbt bei der Zellteilung den alten Zellpol. Cluster, die den Pumpenproteinkomplex beinhalten, werden bevorzugt in die Mutterzelle segregiert.

Calin Guet

ForscherInnen des Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) haben nun einen Teil dieses Rätsels gelöst, indem sie untersuchten, wie das Bakterium Escherichia coli einen Proteinkomplex aufteilt, der verschiedene Medikamente, wie etwa Antibiotika, aus der Zelle pumpt und so die Zelle entgiftet. Sie fanden, dass die Pumpenproteine bei der Zellteilung so verteilt werden, dass eine Zelle mehr von ihnen erhält als die andere. Bakterienzellen, die mehr Pumpenproteine erben, wachsen in niedrigen Konzentrationen von Antibiotika schneller.

Die Aufteilung des Pumpenproteins ist ein Weg, auf dem unterschiedliches Verhalten in einer Bakterienpopulation entstehen kann, und kann ein Sprungbett für die Entwicklung von Resistenzen gegenüber Antibiotika sein. Die Studie erscheint heute in Science und wurde von einem interdisziplinären Forscherduo durchgeführt: einem Experimentalwissenschaftler, Tobias Bergmiller, und einer Theoretikerin, Anna Andersson, aus den Gruppen von Călin Guet und Gašper Tkačik am IST Austria.

Eine Bakterienpopulation besteht aus tausenden Bakterien, die alle dasselbe genetische Material besitzen. Aber diese Individuen können eine Bandbreite an Phänotypen aufweisen, sich also durch Aussehen und Verhalten voneinander unterscheiden. Der Grund dafür sind zufällige Prozesse in den Zellen, die beeinflussen, wie die genetischen Instruktionen verwendet werden.

Für Proteine im Zytosol, der Flüssigkeit im Inneren der Zelle, sind diese zufälligen molekularen Prozesse etwa Unterschiede im Abbau von Proteinen, oder die zufällige Aufteilung in die zwei Zellen, die sich während der Zellteilung bilden. In der vorliegenden Studie untersuchten die ForscherInnen, wie ein Proteinkomplex in der Zellhülle, die die Zelle umschließt, zu dieser Heterogenität oder Vielfalt an Phänotypen führt.

AcrAB-TolC, der untersuchte Proteinkomplex, ist der Hauptproteinkomplex, der Medikamente und Gifte aus den Escherichia coli Zellen pumpt. Es befindet sich in der Zellhülle, in der sich Proteine als „Inseln“ gruppieren. Anders als im Zytosol, wo die Proteine durch Diffusion generell gut gemischt sind, können sich die Proteine in der Zellhülle asymmetrisch segregieren. Manche dieser Cluster bilden sich am Zellpol, den gerundeten Enden von stäbchenförmigen Bakterien wie Escherichia coli. In diesen Bakterien können die Zellen, die bei der Zellteilung „geboren“ werden, durch ihre Zellpole voneinander unterschieden werden. Eine Zelle, die Mutterzelle, behält einen alten Zellpol der bei einer vorangegangenen Teilung entstand und wo Effluxpump-Proteine bereits stabile Cluster gebildet haben.

Die AutorInnen zeigen, dass sich AcrAB-TolC an diesen alten Zellpolen der Mutterzellen ansammeln. Diese Mutterzellen können Medikamente effizienter aus der Zelle pumpen als die Tochterzellen, die die alten Zellpole nicht erbten. In niedrigen Antibiotikakonzentrationen können die Mutterzellen schneller als die Tochterzellen wachsen. Basierend auf diesen Beobachtungen entwickelten die ForscherInnen ein mathematisches Modell um zu identifizieren, wie die unausgewogene Verteilung der Medikamentenpumpe die Bakterienpopulation betrifft. Sie fanden, dass die Mutterzellen, die die Medikamente schneller hinauspumpen, häufiger werden. Die Population wird heterogen während sich dieser extreme Phänotyp weiterverbreitet, da diese Heterogenität langlebig ist.

Călin Guet erklärt, wie die unausgewogene Verteilung der Pumpe ein Schritt auf dem Weg zur Antibiotikaresistenz sein kann: „Aktuelle Forschung anderer Gruppen hat gezeigt, dass Mutationen, die Antibiotikaresistenz verursachen, bei niedrigen Antibiotikakonzentrationen schnell entstehen. Solche niedrigen Konzentrationen finden sich zunehmend in natürlichen Habitaten oder in PatientInnen während der Medikamenteneinnahme. Tatsächlich zeigten Studien, die die Selektion durch Antibiotika untersuchten, dass AcrAB, die von uns untersuchten Gene, amplifiziert waren. Heterogenität in einer Bakterienpopulation, die durch einen Mechanismus der unausgewogenen Verteilung von Medikamentenausflusspumpen entstehen, wie wir sie in unserer Studie identifiziert haben, könnte ein Sprungbrett auf dem Weg von Bakterienpopulationen hin zur Antibiotikaresistenz sein.“

IST Austria
Das Institute of Science and Technology (IST Austria) in Klosterneuburg ist ein Forschungsinstitut mit eigenem Promotionsrecht. Das 2009 eröffnete Institut widmet sich der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften, der Mathematik und den Computerwissenschaften. Das Institut beschäftigt ProfessorInnen nach einem Tenure-Track-Modell und Post-DoktorandInnen sowie PhD StudentInnen in einer internationalen Graduate School. Neben dem Bekenntnis zum Prinzip der Grundlagenforschung, die rein durch wissenschaftliche Neugier getrieben wird, hält das Institut die Rechte an allen resultierenden Entdeckungen und fördert deren Verwertung. Der erste Präsident ist Thomas Henzinger, ein renommierter Computerwissenschaftler und vormals Professor an der University of California in Berkeley, USA, und der EPFL in Lausanne, Schweiz.

Kontakt:
Calin Guet
calin.guet@ist.ac.at

Originalpublikation:
Tobias Bergmiller, Anna M. C. Andersson, Kathrin Tomasek, Enrique Balleza, Daniel J. Kiviet, Robert Hauschild, Gašper Tkačik, Călin C. Guet:
Biased partitioning of the multi-drug efflux pump AcrAB-TolC underlies long-lived phenotypic heterogeneity
DOI: 10.1126/science.aaf4762

Dr. Elisabeth Guggenberger | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
https://ist.ac.at/de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht CHP1-Mutation verursacht zerebelläre Ataxie
23.01.2018 | Uniklinik Köln

nachricht Lebensrettende Mikrobläschen
23.01.2018 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: Optisches Nanoskop ermöglicht Abbildung von Quantenpunkten

Physiker haben eine lichtmikroskopische Technik entwickelt, mit der sich Atome auf der Nanoskala abbilden lassen. Das neue Verfahren ermöglicht insbesondere, Quantenpunkte in einem Halbleiter-Chip bildlich darzustellen. Dies berichten die Wissenschaftler des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel zusammen mit Kollegen der Universität Bochum in «Nature Photonics».

Mikroskope machen Strukturen sichtbar, die dem menschlichen Auge sonst verborgen blieben. Einzelne Moleküle und Atome, die nur Bruchteile eines Nanometers...

Im Focus: Optical Nanoscope Allows Imaging of Quantum Dots

Physicists have developed a technique based on optical microscopy that can be used to create images of atoms on the nanoscale. In particular, the new method allows the imaging of quantum dots in a semiconductor chip. Together with colleagues from the University of Bochum, scientists from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute reported the findings in the journal Nature Photonics.

Microscopes allow us to see structures that are otherwise invisible to the human eye. However, conventional optical microscopes cannot be used to image...

Im Focus: Vollmond-Dreierlei am 31. Januar 2018

Am 31. Januar 2018 fallen zum ersten Mal seit dem 30. Dezember 1982 "Supermond" (ein Vollmond in Erdnähe), "Blutmond" (eine totale Mondfinsternis) und "Blue Moon" (ein zweiter Vollmond im Kalendermonat) zusammen - Beobachter im deutschen Sprachraum verpassen allerdings die sichtbaren Phasen der Mondfinsternis.

Nach den letzten drei Vollmonden am 4. November 2017, 3. Dezember 2017 und 2. Januar 2018 ist auch der bevorstehende Vollmond am 31. Januar 2018 ein...

Im Focus: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

Veranstaltungen

15. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

23.01.2018 | Veranstaltungen

Gemeinsam innovativ werden

23.01.2018 | Veranstaltungen

Leichtbau zu Ende gedacht – Herausforderung Recycling

23.01.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Lebensrettende Mikrobläschen

23.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

3D-Druck von Metallen: Neue Legierung ermöglicht Druck von sicheren Stahl-Produkten

23.01.2018 | Maschinenbau

CHP1-Mutation verursacht zerebelläre Ataxie

23.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics