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

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.

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

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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/