Neue Einblicke in das bakterielle Immunsystem

Ein Forscherteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel beschreibt einen unbekannten Abwehrmechanismus in Bakterien, der fremde und potenziell schädliche Erbinformationen selektiv abwehrt.

Seit der Corona-Pandemie ist die besonders schnelle evolutionäre Anpassungsfähigkeit von Mikroorganismen wie Bakterien oder Viren in den Fokus der Öffentlichkeit gerückt. Wenn beispielsweise Viren die Fähigkeit entwickeln, neue Wirtsorganismen zu infizieren, oder Bakterien eine Antibiotikaresistenz entwickeln, ermöglicht ihnen die Aufnahme neuer genetischer Informationen von anderen Mikroorganismen, schnell evolutionär vorteilhafte Eigenschaften auszudrücken.

Bakterien zum Beispiel nehmen fremde DNA durch einen Prozess auf, der als horizontaler Gentransfer bezeichnet wird, der viel schneller ist als die vertikale Vererbung von Generation zu Generation.

Aber auch jeder lebende Organismus birgt Risiken durch die Aufnahme fremder Erbinformationen, da es unter Umständen gefährlich werden kann, wenn beispielsweise durch den Einbau in das eigene Chromosom wichtige Gene geschädigt werden, was zu erheblichen Nachteilen für den Gesamtorganismus führt. Daher haben Bakterien zahlreiche Mechanismen entwickelt, die sie vor der Aufnahme schädlicher DNA schützen. Viele der beteiligten molekularen Prozesse wurden in den letzten Jahren entdeckt, was zur jüngsten Prägung des Begriffs „bakterielles Immunsystem“ führte.

Nun hat ein Team der Arbeitsgruppe Mikrobielle Biochemie und Zellbiologie am Institut für Allgemeine Mikrobiologie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel die Funktion eines neuen Abwehrmechanismus aufgeklärt, der bestimmte unabhängige und mobile DNA-Strukturen, sogenannte Plasmide, in Bakterien identifizieren und gegebenenfalls abbauen kann Zellen – und dabei zwischen nützlichen und schädlichen genetischen Informationen unterscheiden.

Am Beispiel des Bakteriums Corynebacterium glutamicum zeigten die Forscher, dass das sogenannte Mks-Proteinsystem über ein zusätzliches Element verfügt, das an Plasmid-DNA binden und diese zerschneiden kann. Ihre neuen Ergebnisse haben die Kieler Wissenschaftler um Professor Marc Bramkamp in veröffentlicht Nukleinsäureforschung.

Proteine ​​für die DNA-Organisation können sich auch gegen Plasmide wehren

Plasmide sind kleine, meist ringförmige, doppelsträngige DNA-Moleküle, die sich unabhängig vom Chromosom in ihrer Wirtszelle vermehren können. Sie spielen eine wichtige Rolle in der Ökologie und Evolution von Bakterien, da sie ein wichtiges Vehikel des lateralen Gentransfers sind, das die schnelle Übertragung genetischer Informationen und damit die Ausprägung von Selektionsvorteilen ermöglicht. Prinzipiell können alle Bakterien auch artübergreifend Plasmide untereinander austauschen.

Dies geschieht direkt von Bakterium zu Bakterium über einen Übertragungsmechanismus, der als Konjugation bekannt ist. Sowohl vorteilhafte als auch nachteilige Plasmide nutzen solche Brücken zwischen Bakterienzellen, um von einem Bakterium zu einem anderen zu wechseln.

„Wie der bakterielle Organismus mit fremder DNA aus neu übertragenen Plasmiden umgeht, ist bisher wenig erforscht“, so Manuela Weiß, Ph.D. Studentin in Bramkamps Forschungsgruppe betont. „In der bisherigen Forschung haben wir Systeme untersucht, die generell an der Organisation der DNA in Bakterienzellen beteiligt sind und unter anderem für die Verpackung der Erbinformation in die komprimierte Form von Chromosomen sorgen“, so Weiß weiter.

In diesem Zusammenhang erhielt das Forscherteam erste Hinweise darauf, dass C. glutamicum zwei solcher Systeme besitzt, von denen eines zwar nicht an der Organisation des Chromosoms beteiligt ist, aber die Vermehrung bestimmter Plasmide verhindern kann, obwohl der dafür verantwortliche Mechanismus bisher unbekannt war .

Nun haben die Kieler Forscher gemeinsam mit Experten um Dr. Anne Marie Wehenkel vom Institut Pasteur in Paris in einer Strukturstudie die DNA-Schere des Mks-Systems entdeckt. „Wir konnten experimentell nachweisen, dass diese neue Untereinheit des Mks-Systems ein spezifisches Protein bildet, eine sogenannte Nuklease, die DNA schneiden kann. Dieses Element hat die Aufgabe, Plasmide abzubauen, um schädliche DNA von der Bakterienzelle fernzuhalten.“ , während die anderen Komponenten des Mks-Systems für die Erkennung von Plasmid-DNA wichtig sind“, sagt Weiß.

Unterscheidung zwischen nützlichen und schädlichen Plasmiden

Die Forscher gingen dann der Beobachtung nach, dass das Mks-System offenbar nur bestimmte Plasmide abbaut und es daher mit einem Selektionsmechanismus in Verbindung gebracht werden muss. Ein wichtiger Vorteil dabei: Bramkamps Forschungsgruppe arbeitet mit dem Bakterium C. glutamicum, einem Organismus, der dieses System von Natur aus besitzt. Seine Funktionen können daher in vivo untersucht werden, ohne dass seine zellbiologischen Eigenschaften durch die Übertragung in ein Modellsystem verändert werden.

„Bakterien nutzen bestimmte Plasmide als Quelle für neue, nicht unmittelbar lebenswichtige Erbinformationen. Es liegt also auf der Hand, dass ein Abwehrmechanismus selektiv sein muss und nicht alle Plasmide zerstört“, sagt Bramkamp.

„Wir konnten nachweisen, dass bei C. glutamicum tatsächlich eine gezielte Selektion nach vorteilhaften und schädlichen genetischen Informationen stattfindet. Wenn wir das Mks-System künstlich abschalteten und somit alle Plasmide in den Bakterienzellen verblieben, waren möglicherweise schädliche Auswirkungen auf die Zelle möglich.“ ausgelöst durch DNA-Stress, lagen auf der Hand, traten aber bei aktiver Abwehr nicht auf“, so Bramkamp weiter.

Mit der aktuellen Arbeit präsentieren die Kieler Forscher wichtige neue Erkenntnisse über das bakterielle Immunsystem insgesamt, die das Verständnis von Plasmiden als Vermittler nicht nur nützlicher, sondern auch schädlicher Erbinformationen erweitern. Künftig wollen sie untersuchen, welche molekularen Mechanismen es Bakterienzellen ermöglichen, zwischen „guter“ und „böser“ mobiler DNA zu unterscheiden.

Die neuen Ergebnisse sind nicht nur wichtig für das allgemeine Verständnis der Organisation und Vermehrung bakteriellen Lebens. Die immer genauere Untersuchung des bakteriellen Immunsystems könnte auch dazu beitragen, angewandte Herausforderungen besser zu meistern – und beispielsweise die Entwicklung von Antibiotikaresistenzen in bestimmten Bakterienpopulationen in Zukunft besser modellieren und vorhersagen zu können.