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 Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen
27.06.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Glykane als Biomarker für Krebs?
27.06.2017 | 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: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen

27.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wave Trophy 2017: Doppelsieg für die beiden Teams von Phoenix Contact

27.06.2017 | Unternehmensmeldung

Warnsystem KATWARN startet international vernetzten Betrieb

27.06.2017 | Informationstechnologie