Helles Licht auf die Interaktion von Bakterien

Die Art und Weise, wie Bakterien Zellen infizieren, ist wichtig für das Verständnis der Wirt-Pathogen-Interaktionen. Das Wissen eröffnet auch eine Welt praktischer Anwendungen.

Beispielsweise kann es das Design neuer Antibiotika oder Impfstoffe unterstützen. Im Falle von Boden- oder Meeresbakterien kann es Strategien zur Wiederherstellung des Gleichgewichts natürlicher Ökosysteme entwickeln.

„Ich war schon immer fasziniert von Bakterien und wie diese winzigen Mikroben einen so großen Einfluss auf uns und unsere Welt haben“, sagte Vivian Monzon, Ph.D. Student in der Bateman-Gruppe am EMBL-EBI. „Ich interessiere mich besonders dafür, wie Bakterien Zellen infizieren.“

In ihrer jüngsten Arbeit hat Monzon maschinelles Lernen eingesetzt, um zu erforschen, wie Bakterien mit ihrer Umgebung interagieren. Durch die Analyse von Daten aus der UniProt-Datenbank und die Verwendung von AlphaFold hat sie versucht, unsere Wissenslücken in diesem Bereich zu schließen.

Bindung – der erste Schritt der Interaktion

Fibrilläre Adhäsine sind auf der Bakterienzelloberfläche lokalisierte Proteine, die Wechselwirkungen mit der Umgebung vermitteln, zB mit Wirtszellen oder anderen Bakterien. Diese Proteine ​​haben normalerweise einen Stiel, der ihnen hilft, die Bakterienzelloberfläche zu durchqueren und näher an ihre Ziele zu gelangen – unabhängig davon, woran sie zu binden versuchen. Fibrilläre Adhäsine sind für Bakterien-Wirt-Wechselwirkungen unerlässlich, aber sie entwickeln sich auch schnell, was ihre Untersuchung erschwert.

„Wie so oft bei Computerexperimenten bestand eine der Herausforderungen darin, aus der Fülle der verfügbaren Daten einen relevanten Datensatz zu identifizieren“, erklärt Monzon. „Wir haben uns entschieden, zwei Arten von Bakterien zu untersuchen. Die erste sind Firmicutes-Arten – einige der am besten untersuchten Bakterien, die es gibt; sie können im menschlichen Darm leben und eine Rolle bei der Gesunderhaltung des Dickdarms spielen. Die zweite waren Actinobakterien Arten, die in terrestrischen und aquatischen Ökosystemen weit verbreitet sind.

„Aufregenderweise ergab unsere Analyse über 6.500 fibrilläre Adhäsine, von denen viele noch nie zuvor gesehen wurden. Dies zeigt, dass wir noch so viel über den Bindungsprozess nicht wissen, der in der Bakterienwelt so wichtig ist.“

Jenseits der wissenschaftlichen Neugier

Die Arbeit geht über reine Neugier hinaus. Durch das Verständnis, wie Bakterien mit biotischen oder abiotischen Oberflächen interagieren, können Forscher damit beginnen, zu untersuchen, wie Medikamente eingesetzt werden können, um diese Wechselwirkungen zu bekämpfen, oder ob die in unserem Körper oder unserer Umgebung lebenden Bakterien verändert werden können. Dieser Ansatz könnte es Forschern ermöglichen, die Gesundheit von Darmmikrobiomen zu verbessern – der Bakteriengemeinschaft, die im Darm eines Patienten lebt. Über die Gesundheitsversorgung hinaus könnten diese Informationen dazu beitragen, ein Meeres- oder Bodenmikrobiom nach einer Störung durch Verschmutzung oder andere Einwirkungen wieder in seinen ursprünglichen Zustand zu versetzen.

Arbeiten wie die von Monzon helfen Forschern, die Lücken in ihrem Verständnis der faszinierenden Welt der Bakterien zu schließen.

Als Teil seines neuen transversalen Themas mikrobielle Ökosysteme interessiert sich das EMBL für wegweisende Wege, um die enorme mikrobielle Vielfalt der Welt zu erschließen und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu verstehen, die hinter der Interaktion von Mikroben mit ihrem Wirt, anderen Mikroben und ihrer Umgebung stehen.

In ähnlicher Weise ist diese Art der Nahaufnahme bakterieller Wechselwirkungen für die Infektionsbiologie unerlässlich, um Forschern dabei zu helfen, herauszufinden, welche molekularen Mechanismen Krankheitserregern helfen, Wirtszellen zu finden, einzudringen und dann in ihnen zu überleben und sich zu vermehren. Trotz jahrzehntelanger Studien bleiben die Mechanismen der Pathogenadhäsion schwer fassbar. Als Teil seines Querschnittsthemas Infektionsbiologie zielt das EMBL darauf ab, modernste Technologien einzusetzen, um Wirt-Pathogen-Schnittstellen auf atomarer, molekularer und Gewebeebene systematisch abzubilden und zu modellieren. Dies kann das Verständnis der Wissenschaftler über Infektionsprozesse und deren Stopp oder Verlangsamung bereichern.

Monzons Projekt ist nur eine von vielen EMBL-Initiativen, die sich mit den molekularen Mechanismen von Bakterien befassen. Jeder, der an bakteriellen Adhäsionsstrukturen arbeitet, findet das AlphaFold-Strukturmodell aus Monzons Veröffentlichung sowie die Random-Forest-Vorhersageergebnisse im institutionellen Repository der University of Cambridge.