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 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