Forscher entdecken harpunenähnliche molekulare Injektionssysteme in zwei Bakterienarten

Biologen der ETH Zürich haben in zwei Bakterienarten harpunenartige molekulare Injektionssysteme entdeckt und erstmals deren Aufbau beschrieben. Die speziellen Nanomaschinen werden von den Mikroben für die Interaktion zwischen Zellen verwendet und könnten eines Tages als Werkzeuge in der Biomedizin nützlich sein.

Viele Bakterien haben ausgeklügelte molekulare Injektionsgeräte, die verwendet werden, um erstaunliche Dinge zu tun. Beispielsweise impft ein Bakterium über eine solche Nanomaschine aus Proteinen bestimmte Moleküle in eine Wurmlarve, was die Umwandlung der Larve in einen erwachsenen Wurm auslöst. Andere Bakterien töten mit solchen molekularen Waffen fremde Bakterienstämme oder Insektenlarven oder wehren sich gegen Fresszellen.

Forscher der Gruppe von Martin Pilhofer, Professor am Institut für Molekularbiologie und Biophysik der ETH Zürich, der auf solche molekularen Injektionsmaschinen spezialisiert ist, haben in der Fachzeitschrift soeben zwei neuartige Injektionssysteme beschrieben Naturmikrobiologie: eine von Cyanobakterien, auch bekannt als Blaualgen, und eine von dem Meeresbakterium Algoriphagus machipongonensis.

Die neu entdeckten sogenannten kontraktilen Injektionssysteme (CISs) funktionieren grundlegend anders als zuvor beschriebene Geräte und haben einige einzigartige Merkmale. Damit geben sie auch Aufschluss über die evolutionären Unterschiede verschiedener Klassen von Einspritzsystemen.

Diese CIS funktionieren wie molekulare Spritzen. Wenn sich das Außenhüllenmodul der Nanomaschine zusammenzieht, wird ein mit Proteinen gefülltes inneres, verstecktes Rohr herausgeschossen. Diese Proteine ​​werden entweder in die Umgebung oder direkt in eine Zielzelle injiziert.

Eine überraschende Verankerung in der Zelle

Ein neuartiges CIS, das die Forscher in Cyanobakterien fanden, war nicht wie erwartet in der Zellmembran verankert oder schwebte lose in der Zelle, sondern an der sogenannten Thylakoidmembran, wo bei diesen Bakterien die Photosynthese stattfindet.

„Das war für uns die größte Überraschung“, sagt Gregor Weiss, Erstautor der Studie zum Cyanobakterien-Injektionssystem. Trotz dieser ungewöhnlichen Lokalisation erfüllen die in der Thylakoidmembran verankerten CIS – als tCIS bezeichnet – ihren Zweck. Werden Cyanobakterien gestresst, beispielsweise durch zu hohe Salzkonzentrationen im Wasser oder UV-Licht, lösen sich die äußeren Zellschichten ab. Dadurch wird das nach außen gerichtete tCIS freigelegt, das bei Kontakt mit potenziellen Zielzellen feuerbereit ist.

Auch die molekularen Harpunen sind unerwartet häufig, was laut Weiss auf eine wichtige Rolle im Lebenszyklus von Cyanobakterien hindeutet. Er vermutet, dass das tCIS beim programmierten Zelltod einzelner Zellen dieser vielzelligen Cyanobakterien eine Rolle spielen könnte.

Extrazelluläres Injektionssystem

Andererseits entdeckten und beschreiben die ETH-Forscher Jingwei Xu und Charles Ericson, die ebenfalls in Pilhofers Gruppe arbeiten, ein vom marinen Bakterium Algoriphagus machipongonensis produziertes CIS, das gar nicht in der Zelle verankert ist, sondern in die Zelle freigesetzt wird Umgebung, um auf Zielzellen in dem Bereich einzuwirken.

Unter anderem nutzten die Forscher die Kryo-Elektronenmikroskopie, um die Struktur dieses speziellen Subtyps von ausgestoßenem CIS (eCIS) in sehr hoher Auflösung zu bestimmen, was zuvor keiner anderen Arbeitsgruppe gelungen war. „Die neu entdeckten Nanomaschinen geben uns Hinweise darauf, dass kontraktile Injektionssysteme weiter verbreitet sind als bisher angenommen“, sagt Ericson.

Von Molekülen bis zu ganzen Bakterien

Das Besondere an diesen Studien ist ihr interdisziplinärer, vielfältiger Ansatz: von Bakterien, die in natürlichen Ökosystemen gesammelt wurden, bis hin zu Modellen auf atomarer Ebene ihrer jeweiligen CIS. „Diese Arbeit zeigt sehr schön, wie verschiedene Techniken genutzt werden können, um sich ein Bild davon zu machen, wie diese Systeme und Strukturen funktionieren“, erklärt Weiss. Darüber hinaus zeigt die Studie, dass es notwendig ist, von Laborstämmen zu Umweltproben überzugehen, um die Rolle von Injektionssystemen im Lebenszyklus zu verstehen.

Zukünftiger Einsatz in der Biomedizin

Die beiden Studien helfen den Forschern zu verstehen, wie CIS-produzierende Organismen ihre Umwelt beeinflussen. Darüber hinaus geben verschiedene Stellen in diesen Systemen Aufschluss darüber, wie jedes CIS für einen bestimmten Zweck organisiert ist: Spezialisierte haarähnliche Rezeptoren ermöglichen die gezielte Bindung von Zielzellen, eine variable Beladung dieser molekularen Harpunen verursacht unterschiedliche zelluläre Effekte und unterschiedliche Verankerungsmechanismen ermöglichen dies CIS hat völlig andere Wirkungsweisen.

Vor diesem Hintergrund ist es denkbar, dass zukünftige Forscher den modularen Aufbau in der Biomedizin nutzen, indem sie ihn so umgestalten, dass eine molekulare Harpune auf bestimmte Zelltypen abzielt und Medikamente oder antimikrobielle Mittel abfeuert.