Wie Bakterien mit Speer-Kanonen feuern

Viele Bakterien besitzen ausgekl¨¹gelte molekulare Injektionsapparate, mit denen sie teils wunderliche Dinge bewerkstelligen. ?ber eine solche aus Proteinen zusammengesetzte Nanomaschine etwa impft ein Bakterium einer Wurmlarve bestimmte Molek¨¹le ein, was die Verwandlung der Larve in einen ausgewachsenen Wurm ausl?st. Andere Bakterien t?ten mit solchen molekularen Waffen fremde Bakterienst?mme oder Insektenlarven ab, oder sie verteidigen sich gegen Fresszellen.

Forscherinnen und Forscher der Gruppe von Martin Pilhofer, Professor am Institut f¨¹r Molekularbiologie und Biophysik an der ETH Z¨¹rich, der sich auf solche molekularen Injektionsmaschinen spezialisiert hat, haben soeben in der Fachzeitschrift ?Nature Microbiology? zwei neuartige Injektionssysteme beschrieben: eines aus Cyanobakterien, auch als Blaualgen bezeichnet, und eines aus dem Meeresbakterium Algoriphagus machipongonensis.

Die neu entdeckten sogenannten kontraktilen Injektionssysteme (CIS, von engl. contractile injection systems) funktionieren grunds?tzlich anders als zuvor beschriebene und besitzen ein paar einzigartige Merkmale. Dadurch geben sie auch Aufschluss ¨¹ber die evolution?ren Unterschiede zwischen verschiedenen Injektionssystem-Klassen.

Solch kontraktile Injektionssysteme funktionieren wie molekulare Spritzen. Zieht sich das ?ussere H¨¹llenmodul der Nanomaschine zusammen, wird eine in ihr verborgene R?hre herausgeschossen, die mit Proteinen beladen ist. Diese werden entweder in die Umgebung oder direkt in eine Zielzelle eingespritzt.

Eine ¨¹berraschende Verankerung in der Zelle

Das neuartige CIS, das die Forschenden in Cyanobakterien gefunden haben, war zudem nicht wie erwartet in der Zellmembran verankert oder lose im Zellinneren schwimmend, sondern an der sogenannten Thylakoid-Membran befestigt. Diese Membran ist eine Besonderheit von Cyanobakterien und ist der Ort, wo in diesen Bakterien die Photosynthese abl?uft.  

?Das war f¨¹r uns die gr?sste ?berraschung?, sagt Gregor Weiss, Hauptautor der Studie ¨¹ber das Cyanobakterien-Injektionssystem. Trotz dieser ungew?hnlichen Lokalisierung erf¨¹llen die in der Thylakoid-Membran verankerten CIS ¨C als tCIS bezeichnet ¨C ihren Zweck: Werden Cyanobakterien gestresst, etwa durch zu hohe Salzkonzentrationen im Wasser oder ultraviolettes Licht, l?st sich die Zellh¨¹lle ab. Dadurch werden die nach aussen gerichteten tCIS freigelegt und sind bereit, bei Kontakt mit potenziellen Zielzellen loszufeuern.

Die molekularen Speerkanonen sind zudem unerwartet h?ufig, was gem?ss Weiss auf eine wichtige Rolle im Lebenszyklus der Cyanobakterien hinweist. Er vermutet, dass die tCIS eine Rolle beim programmierten Zelltod einzelner Zellen in diesen mehrzelligen Cyanobakterien spielen k?nnte.

Extrazellul?res Injektionssystem

Die ETH-Forscher Jingwei Xu und Charles Ericson, die ebenfalls in Pilhofers Gruppe t?tig sind, entdeckten und beschreiben dagegen ein vom Meeresbakterium Algoriphagus machipongonensis produziertes CIS, das ¨¹berhaupt nicht in der Zelle verankert ist, sondern von ihr in die Umgebung freigesetzt wird, um auf Zielzellen in der Umgebung einzuwirken.

Die Forscher bestimmten unter anderem mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie die Struktur dieses spezifischen Untertyps von ausgestossenen CIS (eCIS) in sehr hoher Aufl?sung, was vorher noch keiner anderen Arbeitsgruppe gelungen ist.

?Die neu entdeckten Nanomaschinen geben uns Hinweise darauf, dass kontraktile Injektionssysteme verbreiteter sind als angenommen?, sagt Ericson.

Von Molek¨¹len zu ganzen Bakterien

Das Besondere an diesen Studien ist ihr interdisziplin?rer, vielf?ltiger Ansatz: von Bakterien, die in nat¨¹rlichen ?kosystemen gesammelt wurden, bis hin zu Modellen ihrer jeweiligen CIS auf atomarer Ebene. ?Diese Arbeit zeigt sehr sch?n, wie verschiedene Techniken eingesetzt werden k?nnen, um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie diese Injektionssysteme und Strukturen funktionieren?, erkl?rt Weiss. Ausserdem zeige die Studie auf, dass es n?tig werde, von Laborst?mmen zu Umweltproben ¨¹berzugehen, um die Rolle der Injektionssysteme im Lebenszyklus zu verstehen.

K¨¹nftige Verwendung in der Biomedizin

Die beiden Studien helfen den Forschenden zu verstehen, wie CIS-produzierende Organismen ihre Umwelt beeinflussen. Dar¨¹ber hinaus geben unterschiedliche Stellen in diesen Systemen Aufschluss dar¨¹ber, wie jedes CIS f¨¹r einen bestimmten Zweck organisiert ist: Spezialisierte haarartige Rezeptoren erm?glichen die gezielte Bindung von Zielzellen; eine variable Beladung dieser molekularen Spritzen verursacht verschiedene zellul?re Effekte, und unterschiedliche Verankerungsmechanismen erm?glichen den CIS v?llig unterschiedliche Funktionen.

Vor diesem Hintergrund ist denkbar, dass Forschende k¨¹nftig die aus mehreren Modulen aufgebaute Struktur in der Biomedizin nutzen und sie so umgestalten, dass die Speerkanonen auf bestimmte Zelltypen abzielen und Medikamente oder antimikrobielle Mittel abfeuern k?nnten.

Dieser Artikel basiert auf einem Text von Jessica Stanisich.