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Aus Shigella flexneri isolierte Spritzen. Die Zugabe von Nadelprotein führt zu einer spontanen Verlängerung einiger Nadeln. Die Länge des gelben Balkens entspricht 100 Nanometer.
 
Infektiologie 22. Mai 2012

Atom für Atom sichtbar gemacht

Molekulare Struktur bakterieller Nadeln geklärt

Pest, Bakterienruhr und Cholera haben eines gemeinsam: Sie werden von Bakterien ausgelöst, die ihren Wirt mit einem ausgeklügelten Injektionsapparat infizieren. Über nadelartige Strukturen spritzen sie molekulare Wirkstoffe in ihre Wirtszellen und überlisten so deren Immunabwehr. Die Struktur einer solchen Nadel wurde nun im atomaren Detail aufgeklärt.

Typ III-Sekretionssystem

Es ist ein tückisches Werkzeug, das die Erreger von Pest oder Cholera so gefährlich macht. In Form hunderter winziger hohler Nadeln ragt es aus der Bakterienmembran heraus. Diese Miniatur-Spritzen bilden zusammen mit der in die Membran eingebetteten Basis das sogenannte Typ III-Sekretionssystem – einen Injektionsapparat, mit dem die Erreger molekulare Wirkstoffe in das Innere ihrer Wirtszellen einschleusen. Dort manipulieren die Substanzen wichtige Stoffwechselvorgänge und setzen die Immunabwehr der infizierten Zellen außer Gefecht – mit fatalen Folgen. Der Erreger kann sich nun ungehindert im Organismus ausbreiten.

Kombiniertes technisches Verfahren

Die genaue Struktur der 60 bis 80 Nanometer langen und rund acht Nanometer breiten Nadeln blieb Forschern bislang verborgen. Klassische Methoden wie die Röntgenkristallographie oder die Elektronenmikroskopie versagten oder ergaben falsche Modellstrukturen. Nicht kristallisierbar und unlösbar widersetzte sich die Nadel allen Versuchen, ihren atomaren Aufbau zu entschlüsseln. Ein Team von Physikern, Biologen und Chemikern am Max Planck Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen wählte daher einen völlig neuen Ansatz. In Kooperation mit der University of Washington und dem Max Planck Institut für Infektionsbiologie stellten sie die Nadel im Labor her und kombinierten Festkörper-NMR-Spektroskopie, Elektronenmikroskopie und Computermodellierung – mit Erfolg: Atom für Atom wurde die Struktur der Nadel aufgeklärt und ihr molekularer Aufbau erstmals im Ångström-Bereich sichtbar gemacht.

Variable Oberflächen tricksen Immunsystem aus

Die Nadeln von Erregern so unterschiedlicher Krankheiten wie Salmonellenvergiftung, Bakterienruhr oder Pest zeigen auffällige Gemeinsamkeiten. Anders als bisher vermutet ist es der innere Teil der Nadeln, der bei den unterschiedlichen Erregern auffallend ähnlich aufgebaut ist. Die Oberfläche der Nadel dagegen ist erstaunlich variabel. Diese Wandelbarkeit könnte eine Strategie der Bakterien sein, um der Immunabwehr des Wirts zu entkommen.

Anti-Infektiva gesucht

Den Bauplan der Nadeln im atomaren Detail kennen, ermöglicht nicht nur wichtige neue Einblicke, wie diese Erreger ihre Wirtszellen überlisten. Es eröffnet zugleich die Perspektive, den Aufbau der Spritze und das Einschleusen der bakteriellen Wirkstoffe in die Wirtszelle mit einem maßgeschneiderten Molekül zu blockieren. Solche Anti-Infektiva könnten spezifischer und zu einem viel früheren Zeitpunkt der Infektion wirken als traditionelle Antibiotika.

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