Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mechanismus des bakteriellen Geruchssinns entdeckt

19.05.2017

Wissenschaftler des Moskauer Instituts für Physik und Technologie (MIPT) haben in Zusammenarbeit mit Kollegen vom Forschungszentrum Jülich, dem Institut de Biologie Structurale (IBS) und der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble eine Erklärung für einen universellen Mechanismus entwickelt, der Bakterien einen „Geruchssinn“ verleiht. Dazu wurde die Struktur des NarQ-Proteins aus dem Bakterium Escherichia coli (E. coli) entschlüsselt. Es zählt zu einer universellen Klasse sensorischer Histidinkinasen, die in Bakterien für die Übertragung von Signalen über ihre Umgebung verantwortlich sind. Der in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Artikel trägt zum Verständnis der Kommunikation von Bakterien untereinander bei und zeigt, wie sie Biofilme auf sterilen Oberflächen oder im menschlichen Körper bilden.

Wirkstoffe, die diesen bakteriellen „Geruchssinn“ beeinflussen, könnten in Zukunft als Ersatz für konventionelle Antibiotika Verwendung finden. Diese Wirkstoffe würden die Bakterien nicht abtöten, sondern ihnen lediglich Signale zuführen, die sie für den menschlichen Körper harmlos machen würden. Theoretisch wäre in diesem Fall auch die Entwicklung von Resistenzen nicht möglich.


Mechanismus der Signalübertragung durch das NarQ-Protein

Copyright: Ivan Gushchin, Moscow Institute of Physics and Technology

Alle Zellen sind von ihrer Umgebung durch eine dichte Membran isoliert, die kaum eine chemische Substanz durchdringen kann. Das ermöglicht es der Zelle, ihren inneren chemischen Zustand konstant und funktionsfähig zu halten. Jedoch schränkt die Membran auch den Informationsaustausch mit der Umgebung erheblich ein.

Um herauszufinden, was außerhalb passiert, verwenden Zellen spezielle molekulare Maschinen – Proteine. Die Proteine, die zur Kommunikation mit der Umgebung dienen, „leben“ oft in der Membran selbst oder in ihrer Nähe und sind verantwortlich für die Übertragung von Signalen oder chemischen Substanzen in die Zelle oder aus ihr heraus.

Der häufigste Mechanismus, über den Bakterien ihre Umgebung sensorisch erfassen können, sind sogenannte Zweikomponentensysteme. Solche Systeme bestehen aus zwei Proteinen: einer Kinase, die das Signal von Außen aufnimmt und es in die Zelle weiterleitet, und einem Antwortregulator, der das Signal in der Zelle empfängt und Folgereaktionen auslöst.

Ein nützliches Verfahren zum Verständnis der Funktionsweise von Proteinen ist die Untersuchung ihrer Struktur mit atomischer Genauigkeit. Bislang wurden die meisten Proteinstrukturen (mehr als 100.000) mithilfe von Röntgenkristallografie erzielt. Dieses Verfahren erfordert die Aufzeichnung des Beugungsmusters von im Gitter angeordneten Proteinmolekülen. Jedoch offenbart dies nur die Struktur eines einzelnen Zustandes des Proteins, wie bei einem Foto. Durch Fotografieren des Anfangs- und Endzustandes eines Prozesses kann abgeleitet werden, wie genau das Protein funktioniert, wenn es zwischen diesen Zuständen umschaltet.

Membran-„Kolben“ treiben Zell-Geruchssinnn

Die Autoren der Studie konnten die Struktur zweier Zustände der NarQ-Kinase aus E. coli bestimmen. Diese Kinase „fühlt“ die Anwesenheit von Nitraten in der Umgebung und sendet ein entsprechendes Signal durch die Zellmembran. Wie sich herausstellte, ist der Sensor in beiden Zuständen ein Dimer, d. h. zwei Proteinmoleküle fangen gemeinsam das Nitrat ein. Der erste Zustand ist inaktiv – das Protein ist nicht an das Nitrat-Ion gebunden und überträgt kein Signal. Im Gegensatz dazu ist der zweite Zustand aktiv: In diesem Zustand überträgt die Kinase ein Signal in die Zelle hinein, um sie zu informieren, dass in der Umgebung Nitrate vorhanden sind.

Die Proteinstruktur im aktiven Zustand wurde beim verlässlichsten „Wildtyp“-Protein entschlüsselt, einem Protein ohne die künstlichen Mutationen, die von Wissenschaftlern oft genutzt werden, um die Stabilität von Proteinen zu erhöhen. Um die Struktur im inaktiven Zustand aufzuzeichnen, mutierten die Autoren den Abschnitt, an den das Nitrat andockt. Die Stabilität des Proteins wurde dadurch nicht beeinflusst; jedoch dockte das Nitrat nicht mehr daran an, sodass die Autoren die Möglichkeit hatten, eine Kinase im inaktiven Zustand zu beobachten.

Es stellte sich heraus, dass der Signal-Zustand sich nur äußerst geringfügig vom inaktiven Zustand unterscheidet: um 0,5–1 Ångström, was etwa einem Fünftel der Größe des gesamten Ions entspricht (1 Ångström entspricht 10-10 m). Jedoch bringt das Andocken dieses Ions an den Sensor starke Veränderungen im Protein mit sich. Die Helices verschiedener Monomere beginnen, sich wie Kolben in entgegengesetzten Richtungen zu bewegen.

Diese „Kolben“ übertragen die kleine Veränderung um 0,5 bis 1 Ångström durch die Membran und ihre äußeren Enden verschieben sich um etwa 2,5 Ångström in entgegengesetzte Richtungen. In der Zelle, in der HAMP-Domäne, werden diese Verschiebungen in die entgegengesetzte Drehung der zwei Teile von NarQ übersetzt. Schließlich verändern sich die Positionen der Output-Helices um ganze 7 Ångström, womit die Signalübertragung abgeschlossen ist.

Neben den Strukturen, in denen die beiden Proteine ein symmetrisches Paar bilden, konnten die Wissenschaftler eine Struktur mit asymmetrischer Position der beiden Proteine produzieren. In diesem Zustand wird das Protein im Kristall anders angeordnet und ist stark gebogen. Jedoch bleibt der Effekt auf den den Antwortregulator beinahe unverändert. Die Vielseitigkeit der beobachteten Bewegung ermöglicht die Aussage, dass das Signalübertragungssystsem universell ist und dass die Sensoren anderer chemischer Verbindungen über den gleichen „Kolben-Verschiebe“-Mechanismus wirken könnten.

„Wie Signale durch die Zellmembran übertragen werden ist eine der wichtigsten Grundsatzfragen der modernen Biologie. In dieser Studie haben wir genau gezeigt, wie ein Signal (in diesem Fall das Anbinden des Nitrats) über hunderte von Ångström in die Zellen von Bakterien und Archaeen sowie von Pilzen und Pflanzen transportiert wird.

Wir erwarten vom besseren Verständnis dieses Signalübertragungsmechanismus, dass wir herausfinden können, wie solche Zellen manipuliert werden können – vor allem, um die schädlichen Effekte pathogener Mikroorganismen abzuschwächen oder zu neutralisieren“ meint Ivan Gushchin, Leiter des Laboratory of Structural Analysis and Engineering of Membrane Systems am MIPT und zur Zeit der Studie ebenfalls Mitarbeiter des Institute of Complex Systems: Strukturbiochemie (ICS-6) am Forschungszentrum Jülich.

„Das Aufklären der strukturellen Grundlagen von Informationsverarbeitung in biologischen Systemen mit atomarer Genauigkeit ist ein faszinierendes Forschungsfeld“ sagt Dieter Willbold, Direktor des ICS-6. „Informationsgewinnung und -integration sowie anschließende Entscheidungsfindung sind absolut zentrale Prozesse für das Phänomen, das wir als Leben bezeichnen.“


Originalpublikation: Ivan Gushchin, Igor Melnikov, Vitaly Polovinkin, Andrii Ishchenko, Anastasia Yuzhakova, Pavel Buslaev, Gleb Bourenkov, Sergei Grudinin, Ekaterina Round, Taras Balandin, Valentin Borshchevskiy, Dieter Willbold, Gordon Leonard, Georg Büldt, Alexander Popov, Valentin Gordeliy
"Mechanism of transmembrane signaling by sensor histidine kinases", Science published online May 18, 2017, DOI: 10.1126/science.aah6345

Weitere Informationen:

Institute of Complex Systems, Strukturelle Biochemie (ICS-6)

Ansprechpartner:

Dr. Ivan Gushchin
Moscow Institute of Physics and Technology
141700 Institutsky per. 9, Dolgoprudny, Russia
Tel.: +7 965 428-22-24
E-Mail: ivan.gushchin@phystech.edu

Prof. Dr. Valentin Gordeliy
Institute of Complex Systems, Strukturbiochemie (ICS-6)
Forschungszentrum Jülich
Moscow Institute of Physics and Technology
Institute de Biologie Structurale (CEA-CNRS-UJF), Grenoble
Tel.: +49 2461 61-9509
E-Mail: g.valentin@fz-juelich.de

Prof. Dieter Willbold
Institute of Complex Systems, Strukturbiochemie (ICS-6), Forschungszentrum Jülich
Institut für Physikalische Biologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Tel. +49 2461 61-2100
E-Mail: d.willbold@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Peter Zekert
Forschungszentrum Jülich
Tel.: +49 2461 61-6041 / +49 2461 61-9486
E-Mail: p.zekert@fz-juelich.de

Peter Zekert | Forschungszentrum Jülich GmbH
Weitere Informationen:
http://fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Poröse Salze für Brennstoffzellen
24.04.2018 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Adenoviren binden gezielt an Strukturen auf Tumorzellen
23.04.2018 | Eberhard Karls Universität Tübingen

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: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Im Focus: Molecules Brilliantly Illuminated

Physicists at the Laboratory for Attosecond Physics, which is jointly run by Ludwig-Maximilians-Universität and the Max Planck Institute of Quantum Optics, have developed a high-power laser system that generates ultrashort pulses of light covering a large share of the mid-infrared spectrum. The researchers envisage a wide range of applications for the technology – in the early diagnosis of cancer, for instance.

Molecules are the building blocks of life. Like all other organisms, we are made of them. They control our biorhythm, and they can also reflect our state of...

Im Focus: Metalle verbinden ohne Schweißen

Kieler Prototyp für neue Verbindungstechnik wird auf Hannover Messe präsentiert

Schweißen ist noch immer die Standardtechnik, um Metalle miteinander zu verbinden. Doch das aufwändige Verfahren unter hohen Temperaturen ist nicht überall...

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

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

Netzspannung und Lastströme live und präzise im Blick

24.04.2018 | Energie und Elektrotechnik

Poröse Salze für Brennstoffzellen

24.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Bestände des invasiven Kalikokrebses reduzieren und heimische Arten schützen

24.04.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

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