Pathogene Bakterien nutzen molekulare „Shuttledienste“, um ihre Injektionsapparate mit dem richtigen Produkt zu füllen

Krankheitserregende Bakterien der Gattung Salmonella oder Yersinia können mit winzigen Injektionsapparaten schädliche Proteine ​​in Wirtszellen injizieren, sehr zum Unbehagen der infizierten Person. Doch nicht nur im Hinblick auf die Bekämpfung von Krankheiten untersuchen Forscher den Injektionsmechanismus dieser sogenannten Typ-III-Sekretionssysteme, auch „Injektisome“ genannt.

Wenn die Struktur und Funktion des Injektisoms vollständig verstanden wäre, könnten Forscher es nutzen, um bestimmte Medikamente in Zellen, beispielsweise Krebszellen, zu transportieren. Tatsächlich ist die Struktur des Injektisoms bereits aufgeklärt. Allerdings blieb unklar, wie die Bakterien ihre Spritzen beladen, damit die richtigen Proteine ​​zur richtigen Zeit injiziert werden.

Mobile Komponenten des Injektisoms suchen nach Proteinen

In einer Studie veröffentlicht in NaturmikrobiologieDiese Frage konnte nun ein Wissenschaftlerteam um Andreas Diepold vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und Ulrike Endesfelder von der Universität Bonn beantworten: Mobile Bestandteile des Injektisoms durchkämmen die Bakterienzelle auf der Suche nach dem einzuspritzende Proteine, sogenannte Effektoren. Wenn sie auf einen Effektor stoßen, transportieren sie ihn wie einen Shuttlebus zum Tor der Injektionsnadel.

„Wie Proteine ​​der Sortierplattform im Zytosol an Effektoren binden und die Fracht an das Exporttor des membrangebundenen Injektisoms liefern, ist vergleichbar mit den Vorgängen an einem Frachtterminal“, erklärt Stephan Wimmi, Erstautor der Studie als Postdoktorand Forscher im Labor von Andreas Diepold.

„Wir glauben, dass dieser Shuttle-Mechanismus dabei hilft, die Injektion effizient und gleichzeitig spezifisch zu gestalten – schließlich müssen die Bakterien schnell die richtigen Proteine ​​injizieren, um beispielsweise nicht vom Immunsystem erkannt und eliminiert zu werden.“

Um diesen Einblick in den wichtigen Lademechanismus des Injektisoms zu gewinnen, mussten die Forscher neue Techniken anwenden. „Herkömmliche Methoden, mit denen man normalerweise erkennt, dass Proteine ​​aneinander binden, konnten diese Frage nicht beantworten – möglicherweise weil die Effektoren nur für kurze Zeit gebunden und dann sofort injiziert werden“, erklärt Andreas Diepold, Forschungsgruppenleiter bei vom Max-Planck-Institut und Co-Leiter der Studie. „Deshalb mussten wir diese Bindung in situ in den lebenden Bakterien analysieren.“

„Um diese transienten Wechselwirkungen zu messen, haben wir zwei neuartige Ansätze genutzt, die in lebenden Zellen funktionieren: Proximity Labeling und Single Particle Tracking“, fügt Ulrike Endesfelder hinzu, deren Gruppe an drei verschiedenen Standorten – dem Max-Planck-Institut in Marburg – an der Studie arbeitete , der Carnegie Mellon University in Pittsburgh und an der Universität Bonn.

Mithilfe der Proximitätsmarkierung, bei der ein Protein wie ein Pinsel seine unmittelbaren Nachbarn markiert, konnten sie zeigen, dass die Effektoren im Bakterium an die mobilen injektiösen Komponenten binden. Diese Bindung wurde mithilfe von Single Particle Tracking, einer hochauflösenden Mikroskopiemethode, die einzelne Proteine ​​in Zellen verfolgen kann, genauer untersucht. Diese Methoden, die das Team als „In-situ-Biochemie“, also biochemische Untersuchungen vor Ort, bezeichnet, ermöglichten den Durchbruch.

Als nächstes wollen die Forscher mit ihrer Methode weitere Mechanismen untersuchen, die Bakterien nutzen, um Infektionen auszulösen. „Je mehr wir darüber wissen, wie Bakterien diese Systeme während einer Infektion nutzen, desto besser können wir verstehen, wie wir sie beeinflussen können – sei es zur Vorbeugung von Infektionen oder um die Systeme zu modifizieren, um sie in der Medizin oder Biotechnologie einzusetzen.“ sagt Diepold.