Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein toxischer Verwandlungskünstler

13.07.2016

Molekularbiologen der Universität Bern haben einen Mechanismus entdeckt, der es einem von Bakterien produzierten tödlichen Toxin ermöglicht, in menschliche Zellen einzudringen und diese zu zerstören. Ihre Erkenntnisse können dazu beitragen, Gegenmittel zu solchen Giften zu entwickeln.

Pathogene Bakterien produzieren eine Vielzahl von Toxinen, um ihre Wirte anzugreifen. Einige dieser Gifte werden auch als potenzielle Bioterrorismus-Waffen eingestuft. Ein besonders effizientes Toxin kann Löcher in die Membran von Wirtszellen bohren und diese so zerstören. Dieses sogenannte porenbildende Toxin findet sich in einer Vielzahl von Bakterien.


A. hydrophila-Bakterien (blau) setzen Aerolysin frei (grün). Das Toxin macht mehrere Verwandlungen durch, die es ihm ermöglichen, die Zellwand zu durchdringen und so die Zelle zu zerstören.

Grafik: Nuria Cirauqui, Universidade Federal do Rio de Janeiro.

Bakterien der Gattung Aeromonas hydrophila produzieren ein porenbildendes Toxin namens Aerolysin. Indem diese Bakterien Zellen in der Darmschleimhaut ihres Wirts angreifen – oder Zellen, die sich an der Oberfläche einer offenen Wunde befinden – können sie sich mittels Aerolysin vom Inhalt der zerstörten Zellen ernähren und noch tiefer in den menschlichen Körper eindringen. Als Folge von zerstörten Darmschleimhaut-Zellen leiden Patienten unter schwerer Diarrhöe. A. hydrophila kann auch schwere Wundinfektionen und Blutvergiftung beim Menschen auslösen.

Nebst ihrer pathogenen Funktion sind Aerolysin und andere porenbildende Toxine für die Forschung wegen einer aussergewöhnlichen Eigenschaft interessant: Sie werden vom Bakterium als wasserlösliche Proteine abgesondert, die sich dann ineinanderfügen und in die Membran der Wirtszelle eindringen, um sich dort in ein Membranprotein zu verwandeln.

Der Mechanismus, der dem Toxin diese Verwandlung ermöglicht, war bislang unbekannt und wird rege erforscht. Nun ist es einer internationalen Gruppe von Molekuarbiologen unter Führung der Universität Bern und mit Beteiligung der EPFL gelungen, die atomare Struktur von Aerolysin vor, während und nach dem Eindringen in die Zellmembran zu entschlüsseln. Durch die Erkenntnisse lässt sich die Funktion einer grossen Kategorie von Toxinen deutlich besser verstehen. Die Studie wurde nun im Journal «Nature Communications» publiziert.

Zerstörung der Zelle in vier Schritten

«Aerolysin ist ein sehr stabiles Toxin», sagt Prof. Benoît Zuber vom Institut für Anatomie der Universität Bern, der das Projekt zusammen mit Dr. Ioan Iacovache vom selben Institut leitete. «Diese Stabilität des Toxins beruht auf seiner ungewöhnlichen Kernstruktur, welche wir als doppelkonzentrisches Beta-Fass bezeichnen». Diese verunmöglicht es der Wirtszelle, den Schaden zu reparieren, der aus dem porenbildenden Aerolysin entsteht. «Dies ist auch der Grund, weshalb Aerolysin-ähnliche Toxine zu den wirksamsten porenbildenden Toxinen gehören, die wir kennen», sagt Zuber.

In einem ersten Schritt dockt das wasserlösliche Toxin mit seiner speziellen Kernstruktur an der Zelloberfläche an. In einem zweiten Schritt wandelt sich ein Teil des Proteins um und bildet einen molekularen Pfeilbogen. Dann kollabiert das Toxin, wodurch der Pfeil in die Zelle geschossen wird – und dabei einen molekularen Tunnel durch die Membran öffnet. Schlussendlich biegt sich die Spitze des Pfeils zu einem Haken und verankert so das Toxin fest in der Membran. «Aerolysin kann sich transformieren wie ein Verwandlungskünstler», sagt Zuber. «Diese Wandlungen zu verstehen, wird sehr nützlich sein, um neue und wirksamere Therapien gegen Aeromonas-verursachte Krankheiten zu entwickeln», ergänzt Iacovache.

Wichtig für die DNA-Analyse und die Erforschung von Krankheitsursachen

Wie wegweisende Forschungsergebnisse von anderen Gruppen im Bereich der Nanotechnologie gezeigt haben, kann Aerolysin auch als sehr leistungsfähiges Werkzeug eingesetzt werden, um DNA zu sequenzieren. Zudem wird vermutet, dass bestimmte Proteine unter speziellen Bedingungen eine ähnliche Struktur wie die beschriebene Aerolysin-Struktur bilden. Diese Proteine gehören zu den Auslösern der Alzheimer-Krankheit.

Proteine in atomarer Auflösung sichtbar machen

Mit der Einführung einer neuen Generation von Digitalkameras für Elektronenmikroskope – den sogenannten Direktelektronen-Detektoren – können Forschende nun seit vier Jahren die Struktur von Proteinen visualisieren und bestimmen, wie deren Atome angeordnet sind. Solche Details konnten zuvor nur mittels zweier Methoden sichtbar gemacht werden, der Röntgenkristallographie und der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR). Die erstere benötigt jedoch Kristalle des zu untersuchenden Proteins, was im Fall von Membranproteinen schwierig ist. Die zweite Methode beschränkt sich auf sehr kleine Proteine.

«Die neue Elektronenmikroskopie-Methode ist ein Durchbruch in der Biomedizin – dank ihr konnte die atomare Struktur einer ganzen Reihe von Proteinen entschlüsselt werden», sagt Zuber. Dies wurde unter anderem durch das Journal «Nature» gewürdigt, das die sogenannte Kryoelektronenmikroskopie mit Einzelpartikeln zur Forschungsmethode des Jahres 2015 ernannte. Die Kryo-Elektronenmikroskopie, in der Proben schockgefroren werden, um sie besser abbilden zu können, wurde bereits in den 80er Jahren entwickelt und laufend verbessert – so auch in den 90er Jahren an der Universität Bern. Revolutioniert wurde die Methode schliesslich mit der Einführung der sehr viel präziseren Digitalkameras.


Angaben zum Artikel:

Ioan Iacovache, Sacha De Carlo, Nuria Cirauqui, Matteo Dal Peraro, Gisou van der Goot, Benoît Zuber: Cryo-EM structure of aerolysin variants reveals a novel protein fold and the pore formation process, Nature Communications, 13. Juli 2016, doi: 10.1038/NCOMMS12062

Weitere Informationen:

http://www.unibe.ch/aktuell/medien/media_relations/medienmitteilungen/2016/medie...

Nathalie Matter | Universität Bern

Weitere Berichte zu: Bakterien Blutvergiftung Digitalkameras Kernstruktur Proteine Toxin Wunde Zelle

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Intelligente Fluoreszenzfarbstoffe
16.08.2018 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Neuer Behandlungsansatz für Juckreizgeplagte
15.08.2018 | Universität Zürich

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: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Im Focus: Magnetische Antiteilchen eröffnen neue Horizonte für die Informationstechnologie

Computersimulationen zeigen neues Verhalten von Antiskyrmionen bei zunehmenden elektrischen Strömen

Skyrmionen sind magnetische Nanopartikel, die als vielversprechende Kandidaten für neue Technologien zur Datenspeicherung und Informationsverarbeitung gelten....

Im Focus: Unraveling the nature of 'whistlers' from space in the lab

A new study sheds light on how ultralow frequency radio waves and plasmas interact

Scientists at the University of California, Los Angeles present new research on a curious cosmic phenomenon known as "whistlers" -- very low frequency packets...

Im Focus: Neue interaktive Software: Maschinelles Lernen macht Autodesigns aerodynamischer

Neue Software verwendet erstmals maschinelles Lernen um Strömungsfelder um interaktiv designbare 3D-Objekte zu berechnen. Methode wird auf der renommierten SIGGRAPH-Konferenz vorgestellt

Wollen Ingenieure oder Designer die aerodynamischen Eigenschaften eines neu gestalteten Autos, eines Flugzeugs oder anderer Objekte testen, lassen sie den...

Im Focus: New interactive machine learning tool makes car designs more aerodynamic

Scientists develop first tool to use machine learning methods to compute flow around interactively designable 3D objects. Tool will be presented at this year’s prestigious SIGGRAPH conference.

When engineers or designers want to test the aerodynamic properties of the newly designed shape of a car, airplane, or other object, they would normally model...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2018

16.08.2018 | Veranstaltungen

Das Architekturmodell in Zeiten der Digitalen Transformation

14.08.2018 | Veranstaltungen

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

Interaktive Software erleichtert Design komplexer Gussformen

16.08.2018 | Informationstechnologie

Fraunhofer HHI entwickelt Quantenkommunikation für jedermann im EU-Projekt UNIQORN

16.08.2018 | Informationstechnologie

Spezialfarbstoff erlaubt völlig neue Einblicke ins Gehirn

16.08.2018 | Medizin Gesundheit

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