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Von den Bakterien abgeschaut: ForscherInnen bauen im Labor eine „Molekulare Nadel“ nach

15.05.2017

Inspiriert vom komplexen wie wirkungsvollen Infektionsapparat von Bakterien entwickelten Wiener ForscherInnen ein neues biotechnologisches Werkzeug. Die „molekulare Nadel“ könnte in Medizin und Nanotechnologie Anwendungen finden – und tödliche Krankheiten wie diverse Formen von Krebs besiegen helfen.

Molekulare Maschinen sind Makromoleküle, die in Tier- oder Pflanzenzellen Bewegungen ausführen und damit bestimmte mechanische Funktionen erfüllen. So nutzen beispielsweise Bakterien winzige Nadeln, um Zellen anzubohren.


Die Molekulare Nadel „T3SS“ wurde vom Infektionsapparat gram-negativer Bakterien inspiriert.

IMP-IMBA

Trotz ihrer komplexen Strukturen zählen Molekulare Maschinen zu den ursprünglichsten Grundbausteinen des Lebens. Viele existieren schon seit Milliarden von Jahren und sind perfekt an ihre Umgebung und ihre jeweilige Funktion angepasst. Auch die größten Seuchen der Menschheitsgeschichte verdanken ihre tödliche Wirkung einer sehr erfolgreichen Molekularen Maschine.

Das „Type III Secretion System“ (T3SS) sogenannter gram-negativer Bakterien, zu denen die Erreger von Pest, Cholera und Typhus ebenso gehören wie Salmonellen, ist ein perfekt ausgeklügelter Infektionsapparat:  Molekulare Strukturen, die hohlen Nadeln ähneln, ragen aus der Bakterienwand, torpedieren die Wand einer Wirtszelle und transportieren krankmachende Proteine in das Innere. Die Infektion breitet sich erfolgreich aus.

Ein internationales Forschungsteam der Wiener Institute IMP und IMBA, sowie der Hamburger Institute CSSB und UKE in Zusammenarbeit mit dem Bostoner MIT rund um Thomas Marlovits konnte nun einen vereinfachten, aber funktionsfähigen „Bausatz“ dieser Molekularen Maschine beschreiben und sogar nachbauen, wie das Wissenschaftsjournal Nature Communications aktuell berichtet.

Weniger ist mehr: Die „molekulare Nadel“ T3SS funktioniert auch stark vereinfacht

Sämtliche Proteine im Wirkungskreis der molekularen „Pfeilspitze“ sind streng reguliert. Auch die unmittelbare Umgebung spielt dabei eine Rolle: Salmonellen etwa befallen den Verdauungstrakt, wo sie es trotz sehr sauren Milieus schaffen, Magen- und Darmzellen zu infizieren und in Folge heftige Vergiftungen auszulösen.

Ziel der ForscherInnen war es, den Wirkungskreis des komplexe T3SS System von Salmonella so zu vereinfachen, dass man es synthetisch nachbauen kann. „Auf welche grundlegenden Bausteine kann man das komplex regulierte System reduzieren, ohne die Funktion zu stören?“ das war für Thomas Marlovits die zentrale Frage hinter seiner aktuellen Forschung. 

Das Team stellte dafür sehr vereinfachte und für Bakterien typische Genabschnitte - sogenannte „Genetic Islands“ - her und ersetzte dabei die bakterieneigene DNA durch synthetische Bausteine.
Über Jahre hinweg arbeiteten die ForscherInnen an dem künstlich geschaffenen Nadelsystem und konnten anhand biochemischer Methoden und präziser Elektronenmikroskopie nachweisen, dass auch eine vereinfachte Version von T3SS funktionsfähig ist.

„Erstaunlicherweise funktioniert T3SS, selbst wenn man zusätzliche Steuerelemente weglässt. Es ist das erste Mal, dass eine derart komplexe Struktur, die aus 20 Proteinen besteht, synthetisch hergestellt wurde,“ zeigt sich Thomas Marlovits begeistert. „Wir haben damit nicht nur ein spannendes biotechnologisches Instrument entwickelt, sondern es eröffnet sich auch die Frage nach der Notwendigkeit und Austauschbarkeit von hochkomplexen, genetisch kodierten Wirkungskreisen.“

Auch für die Medizin könnten sich dafür zahlreiche Anwendungen ergeben. „Gerade in der Entwicklung neuer Therapiemöglichkeiten könnte das T3SS System etwa zum Einsatz kommen, um einen bestimmten Wirkstoff in eine Zelle zu schleusen, oder aber als molekularer Schalter fungieren. Doch vorerst wollen wir weiter an dem System forschen, um zu sehen wie T3SS in bestimmten Umgebungen funktioniert,“ fasst Thomas Marlovits zusammen.  

Originalpublikation:
Control of type III protein secretion using a minimal genetic system. Song M, Sukovich DJ, Ciccarelli L, Mayr J, Fernandez-Rodriguez J, Mirsky EA, Tucker AC, Gordon DB, Marlovits TC, Voigt CA.
Nature Communications; 2017 May 9;8:14737.
https://www.nature.com/articles/ncomms14737

Über IMBA:
Das IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie gehört zu den führenden biomedizinischen Forschungsinstituten in Europa. Im Fokus stehen medizinisch relevante Fragestellungen aus den Bereichen Stammzellbiologie, RNA-Biologie, Molekulare Krankheitsmodelle und Genetik. Das Institut befindet sich am Vienna Biocenter, einem dynamischen Konglomerat aus Universitäten, akademischer Forschung und Biotechnologie-Unternehmen. Das IMBA ist ein Tochterunternehmen der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, der führenden Trägerin außeruniversitärer Forschung in Österreich. www.imba.oeaw.ac.at

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Das Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie betreibt in Wien biomedizinische Grundlagenforschung. Hauptsponsor ist der internationale Unternehmensverband Boehringer Ingelheim. Mehr als 200 Forscherinnen und Forscher aus fast 40 Nationen widmen sich am IMP der Aufklärung grundlegender molekularer und zellulärer Vorgänge, um komplexe biologische Phänomene im Detail zu verstehen. Das IMP ist Gründungsmitglied des Vienna Biocenter, Österreichs Leuchtturm im internationalen Konzert molekularbiologischer Top-Forschung. www.imp.ac.at

Über das Vienna BioCenter:
Das Vienna BioCenter (VBC) ist einer der führender Life Science-Standorte Europas. Herausragende Forschungseinrichtungen, Bildungseinrichtungen und Unternehmen sind hier auf einem Campus vereint. Rund 1600 Angestellte, über 1000 Studierende, 93 Forschungsgruppen, 16 Biotech-Unternehmen und Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus über 40 Nationen schaffen ein internationales und dynamisches Umfeld. http://www.viennabiocenter.com

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Weitere Informationen:

https://www.nature.com/articles/ncomms14737
https://www.imp.ac.at/research/research-groups/thomas-marlovits/research/
http://imba.oeaw.ac.at/research/thomas-marlovits/

Dr. Heidemarie Hurtl | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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