Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit Dolchstössen gegen Amöben

18.08.2017

Forschende der ETH Zürich und der Universität Wien entdeckten bei einer Bakterienart winzige Dolche, mit denen sich die Bakterien wehren können, um nicht von Amöben aufgefressen zu wehren. Ausserdem entschlüsselten die Wissenschaftler die dreidimensionale Struktur der Vorrichtung zum schnellen Ausfahren der Mikro-Dolche.

Bakterien müssen sich vor Amöben in Acht nehmen. Denn hungrige Amöben machen Jagd auf sie. Sie fangen die Bakterien mit ihren Scheinfüsschen, verleiben sie sich ein und verdauen sie schliesslich.


Ein Bündel Dolch-Ausstossapparate im Innern eines Bakteriums. Grün in ihrer «geladenen» Form, rosa mit bereits ausgestossenem Dolch.

Leo Popovich

Allerdings gibt es auch Bakterien, die sich zu wehren wissen. Amoebophilus ist so eines. Forschende der Universität Wien haben es vor einigen Jahren entdeckt. Das Bakterium kann im Innern von Amöben überleben. Mehr noch: Es hat sich das Amöbeninnere sogar zu seinem bevorzugten Lebensraum gemacht.

Wissenschaftler der ETH Zürich fanden nun gemeinsam mit den Wiener Entdeckern des Bakteriums einen Mechanismus, von dem sie annehmen, dass er für das Überleben von Amoebophilus im Amöbeninnern zentral ist. Das Bakterium besitzt Mikro-Dolche und geeignete Ausfahrvorrichtungen. Mit den Dolchen kann es die Amöben von innen piesacken und dadurch dem Verdautwerden entkommen.

Befreiung aus dem Amöbenmagen

Die Ausfahrvorrichtung besteht aus einem Mantelrohr, das über eine Grundplatte und eine Verankerung innen an der Membran des Bakteriums befestigt ist. João Medeiros, Doktorand in der Gruppe von ETH-Professor Martin Pilhofer erklärt den Mechanismus: «Das Mantelrohr steht unter Federspannung, und in dessen Innern liegt der Mikro-Dolch. Zieht sich das Mantelrohr zusammen, wird der Dolch durch die Bakterienmembran extrem schnell nach aussen gedrückt.»

Einverleibte Bakterien befinden sich in den Amöben in einem spezialisierten und von einer Membran umgebenen Verdauungskompartiment. «Unsere Forschungsresultate legen nahe, dass die Bakterien in der Lage sind, die Dolche in die Membran des Amöben-Verdauungskompartiments zu stossen», sagt Désirée Böck, ebenfalls Doktorandin in Pilhofers Gruppe und Erstautorin der in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Arbeit. Dies führt dazu, dass das für die Bakterien unwirtliche Kompartiment zerfällt und die Bakterien freigibt. Ausserhalb des Verdauungskompartiments, aber immer noch im Innern der Amöben, können die Bakterien prima überleben und sich sogar vermehren.

Wie genau das Verdauungskompartiment zerstört wird, ist noch nicht bekannt. «Möglicherweise reisst die Hülle allein aus mechanischen Gründen», sagt Pilhofer. Denkbar sei aber auch, dass die Dolche der Amoebophilus-Bakterien mit einer Art Pfeilgift – mit membranabbauenden Enzymen – imprägniert seien. Im Erbgut der Bakterien sind die Bauanleitungen für solche Enzyme vorhanden, wie Matthias Horn, Professor an der Universität Wien, und seine Mitarbeitenden zeigen konnten.

Präzisionsfräsen

Mit einer ganz neuen Methode, die erst von einer Handvoll Forschungslabors weltweit angewandt wird, darunter jenem von ETH-Professor Pilhofer, konnten die Wissenschaftler die dreidimensionale Struktur der Dolche und ihrer Ausfahrvorrichtungen hochauflösend ermitteln. Doktorandin Böck fror dazu Amöben mit einverleibten Bakterien bei minus 180 Grad Celsius ein.

Vergleichbar mit einem Paläontologen, der mit Hammer und Meissel Fossilien aus einem Stein freilegt, bearbeitete Doktorand Medeiros mit einem fein fokussierten Ionenstrahl (engl. focused ion beam) als «Nanomeissel» die tiefgefrorenen Proben: In beeindruckender Präzisionsarbeit konnte er die Amöbe und einen Grossteil des Bakteriums wegfräsen und so die molekularen Dolche und ihre Abschussvorrichtungen freilegen, um davon schliesslich ein dreidimensionales Elektronentomogramm zu erstellen.

Erstes Bild der Gesamtstruktur

Mit der Dolch-Ausstossvorrichtung verwandte Systeme gibt es auch andernorts in der Biologie: Sich auf die Infektion von Bakterien spezialisierte Viren (Bakteriophagen) injizieren mit solchen Systemen ihr Erbgut in Mikroorganismen. Und es gibt sogar Bakterien, welche solche Mikroapparate in die Umgebung absondern können, wo sie konkurrierende Mikroorganismen bekämpfen.

In ihrer Arbeit präsentieren die Wissenschaftler zum ersten Mal im natürlichen Kontext die gesamte räumliche Struktur einer Ausstossvorrichtung, die sich im Innern einer Zelle befindet. Ausserdem zeigen die Forschenden zum ersten Mal, wie die Grundplatte und die Verankerung dieser Ausstossvorrichtung aussieht. «In der Vergangenheit untersuchten Zellbiologen die Funktion solcher Systeme, und Strukturbiologen konnten die Struktur einzelner Bestandteile aufklären», sagt Pilhofer. «Mit der von uns an der ETH etablierten Technik, dem Kryo-Ionenstrahl-Fräsen und der Kryo-Elektronentomographie, können wir nun jedoch die Brücke schlagen zwischen der Zellbiologie und der Strukturbiologie.»

Mehrläufige Kanonen

Bisher bekannte Mikro-Injektionsapparate treten einzeln auf. Die Wissenschaftler aus Zürich und Wien haben in Amoebophilus nun erstmals Apparate gefunden, die in Bündeln bis zu rund 30 solcher Apparate vorkommen. «Man könnte auch von mehrläufigen Kanonen sprechen», sagt Pilhofer.

Mit Erbgutvergleichen gingen die Forschenden ausserdem der Frage nach, wie Amoebophilus im Laufe der Evolutionsgeschichte zu seinen Dolch-Ausstossvorrichtungen gekommen ist. «Die entsprechenden Gene haben grosse Ähnlichkeit mit jenen der Injektionssysteme von Bakteriophagen», sagt Pilhofer. «Wir gehen davon aus, dass sich die Gene von Vorläufern heutiger Bakteriophagen vor langer Zeit ins Erbgut der Bakterien eingenistet haben.»

Bei weiteren Bakterien ebenfalls vorhanden

Die Erbgutvergleiche legen zudem nahe, dass die neuentdeckten Mikro-Dolche nicht nur bei Amoebophilus vorkommen, sondern darüber hinaus bei zahlreichen weiteren Bakterienarten aus mindestens neun der wichtigsten Bakteriengruppen. Ob diese Bakterien ihre Dolche ebenfalls verwenden, um nicht von Amöben verdaut zu werden, oder ob die Dolche noch ganz anderen Zwecken dienen, müssen die Forschenden erst noch untersuchen. So schnell wird ihnen die Arbeit nicht ausgehen.
Und schliesslich möchten die Wissenschaftler die neue Methode, das Kryo-Ionenstrahl-Fräsen, für die Strukturaufklärung weiterer komplexer Molekülsysteme verwenden. «Die Technik dürfte für viele Fragen der Zell-, Infektions- und Strukturbiologie interessant sein. Bereits jetzt arbeiten wir mit anderen Forschungsgruppen zusammen und bieten ihnen unsere Expertise an», sagt ETH-Doktorand Medeiros.

Literaturhinweis

Böck D, Medeiros JM, Tsao HF, Penz T, Weiss GL, Aistleitner K, Horn M, Pilhofer M: In situ architecture, function, and evolution of a contractile injection system. Science, 17. August 2017, doi: 10.1126/science.aan7904 [http://dx.doi.org/10.1126/science.aan790]

Hochschulkommunikation | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)
Weitere Informationen:
http://www.ethz.ch

Weitere Berichte zu: Amöben Bakterien Bakteriophagen Bakterium ETH Erbgut Mikroorganismen Strukturbiologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Software mit Grips
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Hirnforschung, Frankfurt am Main

nachricht Einen Schritt näher an die Wirklichkeit
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

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: 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...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

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

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

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