Die Entdeckung eines abweichenden Proteins, das Bakterienzellen abtötet, könnte helfen, den Mechanismus bestimmter Antibiotika aufzuklären

Biologen des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums und ihre Mitarbeiter haben ein abweichendes Protein entdeckt, das für Bakterien tödlich ist. In einem gerade in der Zeitschrift erschienenen Artikel PLUS EINSbeschreiben die Wissenschaftler, wie dieses fehlerhaft aufgebaute Protein die Wirkung von Aminoglykosiden, einer Klasse von Antibiotika, nachahmt. Das neu entdeckte Protein könnte als Modell dienen, um Wissenschaftlern dabei zu helfen, Details über die tödlichen Wirkungen dieser Medikamente auf Bakterien zu enträtseln – und möglicherweise den Weg zu zukünftigen Antibiotika weisen.

„Die Identifizierung neuer Ziele in Bakterien und alternativer Strategien zur Kontrolle des Bakterienwachstums wird immer wichtiger“, sagte der Biologe Paul Freimuth aus Brookhaven, der die Forschung leitete. Bakterien haben Resistenzen gegen viele häufig verwendete Medikamente entwickelt, und viele Wissenschaftler und Ärzte waren besorgt über das Potenzial für großflächige Ausbrüche, die durch diese antibiotikaresistenten Bakterien ausgelöst werden könnten, erklärte er.

„Was wir entdeckt haben, ist noch lange kein Medikament, aber der erste Schritt ist, den Mechanismus zu verstehen“, sagte Freimuth. „Wir haben ein einzelnes Protein identifiziert, das die Wirkung einer komplexen Mischung abweichender Proteine ​​nachahmt, die entstehen, wenn Bakterien mit Aminoglykosiden behandelt werden. Das gibt uns eine Möglichkeit, den Mechanismus zu untersuchen, der die Bakterienzellen tötet. Dann könnte eine neue Familie von Inhibitoren dies vielleicht tun entwickelt werden, um dasselbe zu tun.“

Nach einem interessanten Zweig

Die Wissenschaftler von Brookhaven, die sich normalerweise auf energiebezogene Forschung konzentrieren, dachten nicht an die menschliche Gesundheit, als sie dieses Projekt begannen. Sie verwendeten E. coli-Bakterien, um Gene zu untersuchen, die am Aufbau von Pflanzenzellwänden beteiligt sind. Diese Forschung könnte Wissenschaftlern helfen zu lernen, wie Pflanzenmaterial (Biomasse) effizienter in Biokraftstoffe umgewandelt werden kann.

Aber als sie die Expression eines bestimmten Pflanzengens einschalteten, was es den Bakterien ermöglichte, das Protein herzustellen, hörten die Zellen sofort auf zu wachsen.

„Dieses Protein hatte eine akut toxische Wirkung auf die Zellen. Alle Zellen starben innerhalb von Minuten nach dem Einschalten der Expression dieses Gens“, sagte Freimuth.

Die Grundlagen für diese schnelle Hemmung des Zellwachstums zu verstehen, war ein ideales Forschungsprojekt für Sommerpraktikanten in Freimuths Labor.

„Praktikanten könnten Experimente durchführen und die Auswirkungen innerhalb eines einzigen Tages sehen“, sagte er. Und vielleicht könnten sie dabei helfen, herauszufinden, warum ein Pflanzenprotein solch dramatische Schäden verursacht.

Falsch gelesener Code, ungefaltete Proteine

„Da wurde es erst richtig interessant“, sagte Freimuth.

Die Gruppe entdeckte, dass der toxische Faktor überhaupt kein Pflanzenprotein war. Es war ein Strang aus Aminosäuren, den Bausteinen von Proteinen, der keinen Sinn ergab.

Dieser unsinnige Strang war versehentlich entstanden, als die Ribosomen der Bakterien (die Proteinherstellungsmaschinerie der Zellen) die Buchstaben, aus denen sich der genetische Code zusammensetzt, „phasenverschoben“ übersetzten. Anstatt den Code in Blöcken von drei Buchstaben zu lesen, die für eine bestimmte Aminosäure kodieren, las das Ribosom nur die zweiten beiden Buchstaben eines Blocks plus den ersten Buchstaben des nächsten Tripletts. Das führte dazu, dass die falschen Aminosäuren eingesetzt wurden.

„Es wäre, als würde man einen Satz lesen, der in der Mitte jedes Wortes beginnt und ihn mit der ersten Hälfte des nächsten Wortes verbindet, um eine Reihe von Kauderwelsch zu erzeugen“, sagte Freimuth.

Das Kauderwelsch-Protein erinnerte Freimuth an eine Klasse von Antibiotika namens Aminoglykoside. Diese Antibiotika zwingen Ribosomen dazu, beim Aufbau von Proteinen ähnliche „Phasing“-Fehler und andere Arten von Fehlern zu machen. Das Ergebnis: Alle Ribosomen der Bakterien stellen Kauderwelsch-Proteine ​​her.

„Wenn eine Bakterienzelle 50.000 Ribosomen hat, von denen jedes ein anderes fehlerhaftes Protein produziert, resultiert die toxische Wirkung dann aus einem bestimmten fehlerhaften Protein oder aus einer Kombination von vielen? Diese Frage tauchte vor Jahrzehnten auf und war nie gelöst worden“, sagte Freimuth.

Die neue Forschung zeigt, dass bereits ein einziges abweichendes Protein für die toxische Wirkung ausreichen kann.

Das wäre nicht zu weit hergeholt. Unsinnige Aminosäurestränge können sich nicht richtig falten, um voll funktionsfähig zu werden. Obwohl fehlgefaltete Proteine ​​in allen Zellen durch Zufallsfehler produziert werden, werden sie in gesunden Zellen normalerweise von der Maschinerie der „Qualitätskontrolle“ erkannt und vollständig eliminiert. Der Ausfall von Qualitätskontrollsystemen könnte dazu führen, dass sich abweichende Proteine ​​ansammeln und Krankheiten verursachen.

Durcheinandergebrachte Qualitätskontrolle

Der nächste Schritt bestand darin, herauszufinden, ob das fehlerhafte Pflanzenprotein das Qualitätskontrollsystem der Bakterienzellen aktivieren oder dieses System irgendwie blockieren könnte.

Freimuth und sein Team fanden heraus, dass das fehlerhafte Pflanzenprotein zwar den ersten Schritt der Proteinqualitätskontrolle aktivierte, aber spätere Phasen des Prozesses, die direkt für den Abbau fehlerhafter Proteine ​​erforderlich sind, blockiert wurden. Sie entdeckten auch, dass der Unterschied zwischen Zellleben und -tod von der Geschwindigkeit abhängt, mit der das abweichende Protein produziert wird.

„Wenn Zellen viele Kopien des Gens enthielten, das für das fehlerhafte Pflanzenprotein kodiert, entdeckte die Qualitätskontrolle das Protein, konnte es aber nicht vollständig abbauen“, sagte Freimuth. „Als wir jedoch die Anzahl der Genkopien reduzierten, konnte die Qualitätskontrolle das toxische Protein eliminieren und die Zellen überlebten.“

Das gleiche passiert, bemerkte er, in Zellen, die mit subletalen Dosen von Aminoglykosid-Antibiotika behandelt wurden. „Die Reaktion der Qualitätskontrolle war stark aktiviert, aber die Zellen konnten trotzdem weiter wachsen“, sagte er.

Modell für Mechanismus

Diese Experimente zeigten, dass das einzelne abweichende Pflanzenprotein Zellen durch denselben Mechanismus tötete wie die komplexe Mischung abweichender Proteine, die durch Aminoglykosid-Antibiotika induziert wurde. Aber der genaue Mechanismus des Zelltods ist immer noch ein Rätsel.

„Die gute Nachricht ist, dass wir jetzt ein einzelnes Protein mit bekannter Aminosäuresequenz haben, das wir als Modell verwenden können, um diesen Mechanismus zu erforschen“, sagte Freimuth.

Wissenschaftler wissen, dass mit den Antibiotika behandelte Zellen undicht werden und Dinge wie Salze in toxischen Mengen eindringen können. Eine Hypothese ist, dass die fehlgefalteten Proteine ​​neue Kanäle in Zellmembranen bilden oder alternativ die Tore bestehender Kanäle öffnen könnten, was die Diffusion von Salzen und anderen toxischen Substanzen durch die Zellmembran ermöglicht.

„Ein nächster Schritt wäre, Strukturen unseres Proteins im Komplex mit Membrankanälen zu bestimmen, um zu untersuchen, wie das Protein die normale Kanalfunktion hemmen könnte“, sagte Freimuth.

Das würde helfen, besser zu verstehen, wie die durch Aminoglykosid-Antibiotika induzierten abweichenden Proteine ​​Bakterienzellen abtöten – und könnte die Entwicklung neuer Medikamente beeinflussen, um die gleichen oder ähnliche Wirkungen auszulösen.