25.10.2021 - University of York

Wissenschaftler entdecken, wie Bakterien flüssige Proteintröpfchen zur Stressbewältigung nutzen

Wissenschaftler haben herausgefunden, wie Bakterien winzige Flüssigkeitströpfchen aus Proteinen bilden, die ihnen helfen, in einer rauen Umgebung zu überleben, und so ihre Chancen verringern, von Antibiotika getötet zu werden.

Die Studie zeigt, wie sich Aggresome - winzige Flüssigkeitströpfchen, die aus verschiedenen Proteinen zusammengesetzt sind - als Reaktion auf zunehmenden Stress, dem Bakterien ausgesetzt sind, bilden, und dass diese Bakterien Aggresome bilden können, die diesen Stress besser überstehen.

Das Forscherteam, das gemeinsam von Wissenschaftlern der University of York und der Peking University geleitet wird, entdeckte, dass Umweltstress mit einer Verringerung des ATP-Spiegels - der "universellen Währung der Zellenergie" - in den Bakterien verbunden ist. Es wird vermutet, dass sich diese Verringerung auf die Löslichkeit wichtiger zellulärer Proteine auswirkt, die die Bakterien dazu anregen, sich zu Tröpfchen zusammenzuschließen.

Die Studie könnte dazu beitragen, das Rätsel zu lösen, wie bestimmte Bakterientypen sowohl eine längere Behandlung mit Antibiotika überleben als auch durch Mutation ihrer Gene die Wahrscheinlichkeit einer vollständigen Resistenz gegen Antibiotika erhöhen können.

Mit Hilfe fortschrittlicher optischer Mikroskopie und Computermodellierung zeigten die Forscher, dass die Tröpfchenbildung durch die Physik der "Flüssig-Flüssig-Phasentrennung" erklärt werden kann.

Die Anziehungskräfte zwischen Molekülen in Lösung treiben sie zusammen, um halbstabile Anordnungen zu bilden, die interessante flüssige Eigenschaften haben und im Fall von Aggresomen bis zu mehreren hundert Molekülen verschiedener Proteine umfassen. Die Moleküle innerhalb eines Aggresoms können sich wie in jeder anderen Flüssigkeit frei bewegen und mit anderen Molekülen außerhalb eines Aggresoms in Austausch treten.

Indem die Bakterien Proteine, die für zentrale Zellprozesse wichtig sind, zu Tröpfchen zusammenfassen, lagern sie diese bei Stress effizient ein, während sich die Zelle abschaltet. So bleiben sie sicher, bis die schädliche Umgebung wieder verschwindet, und helfen der Zelle, sich wieder zu erholen.

Professor Mark Leake vom Fachbereich Physik und vom Fachbereich Biologie der Universität York, der die Studie mitverfasst hat, sagte: "Unsere Studie zeigt, dass Aggresome in Bakterien hochdynamische Strukturen sind; sie sind das, was wir als 'Zellorganellen' bezeichnen würden, aber ihnen fehlt die Art von Membran an der Außenseite, die wir normalerweise in besser untersuchten Organellen wie dem Zellkern in unseren eigenen Zellen finden.

"Sich auf festere Strukturen wie membrangebundene Organellen zu verlassen, ist zu langsam: Sie ermöglichen es den Bakterien nicht, schnell genug auf eine sich rasch verändernde Umgebung zu reagieren, da es Zeit braucht, eine Membran zu bilden und zu brechen und auszuwählen, welche molekularen Komponenten ein- und austreten dürfen. Aggresome überwinden dieses Problem, indem sie überhaupt keine Membran verwenden. Stattdessen haben die Bakterien die grundlegende Physik der Phasentrennung in Flüssigkeiten so angepasst, dass sie überleben können.

Ein internationales Team von Forschern aus verschiedenen Disziplinen, darunter Biophysik, Mikrobiologie, Genetik, Mathematik und Informatik, trug zu den Forschungsarbeiten bei.

Das Team verwendete fluoreszierende Markierungen an Aggresom-Proteinmolekülen, um deren Position in lebenden Zellen von E. coli-Bakterien zu verfolgen, die denen in unseren Eingeweiden sehr ähnlich sind. Mit Hilfe von mathematischen Modellen und Computersimulationen wurde ermittelt, wie die Flüssig-Flüssig-Phasentrennung zu der beobachteten Bildung von hochdynamischen Proteintröpfchen führt.

Prof. Leake fügte hinzu: "Wir konnten dieses neue Verständnis nur durch ein großes Team erlangen, dessen Fachwissen sich über mehrere Disziplinen erstreckt und das Fortschritte in der experimentellen Biophysik meines Teams, innovative theoretische Ansätze des Teams von Tom McLeish in York und modernste bakterielle Genetik der Gruppe von Fan Bai in Peking nutzt.

"Die Erforschung der Funktionsweise dieser bemerkenswerten biologischen Flüssigkeitströpfchen auf der Ebene einzelner Moleküle, wie wir sie hier durchgeführt haben, kann uns helfen zu verstehen, warum bei einigen Krankheiten, die nicht nur durch Bakterien verursacht werden, sondern auch bei Erkrankungen des Immunsystems und bei Demenz, an denen tröpfchenartige Molekülverbände beteiligt zu sein scheinen, etwas schief läuft. Dies könnte den Weg zu neuen Medikamenten ebnen, die entweder die Bildung bestimmter Tröpfchen verhindern oder sie gezielt abbauen."

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