Wissenschaftler entdecken einen neuen Mechanismus für den Export bakterieller Polysaccharide

Bei gramnegativen Bakterien, zu denen einige der verheerendsten menschlichen Krankheitserreger gehören, wurden bisher nur zwei Mechanismen für den Export von Polysacchariden identifiziert. Nun hat ein Max-Planck-Forschungsteam um Lotte Søgaard-Andersen einen völlig neuartigen dritten Mechanismus für den Export von Polysacchariden identifiziert. Diese Ergebnisse, veröffentlicht in mBioebnen den Weg zu einem vollständigen Verständnis der Mechanismen, die den Schutz, die Beweglichkeit und die Interaktion vieler bakterieller Pathogene vermitteln.

Bakterien ernähren sich nicht nur von Zucker als Kohlenstoff- und Energiequelle – sie produzieren und scheiden auch eine Vielzahl sogenannter Polysaccharide aus. Polysaccharide sind Zuckerketten und die am häufigsten vorkommenden Biopolymere auf der Erde. Die langen Zuckerketten spielen eine wichtige Rolle in freilebenden, kommensalen und pathogenen Bakterien. Sie sind auch für den Bakterienschutz von entscheidender Bedeutung, da sie die Zellen vor Umweltbelastungen wie Austrocknung, Immuneffektoren und Prädatoren schützen. Darüber hinaus tragen ihre adhäsiven und strukturellen Funktionen zur Oberflächenbesiedlung und Biofilmbildung bei. Sie sind auch wichtig für die erfolgreiche Anwendung von antibakteriellen Impfstoffen. Somit halten sie den Schlüssel zum Verständnis und zur Kontrolle sowohl nützlicher als auch pathogener Wechselwirkungen zwischen Mensch, Tier und Pflanze und Mikroben. Und nicht zuletzt werden Polysaccharide in der Lebensmittel-, Pharma- und Medizinindustrie eingesetzt.

Der Export von Polysacchariden ist eine große Herausforderung, da die Moleküle chemisch vielfältig und sehr groß sind. Bei gramnegativen Bakterien sind bisher nur zwei Mechanismen für den Export von Polysacchariden bekannt: ein Außenmembran-OPX-Protein (in den sogenannten Wzx/Wzy- und ABC-Transporter-abhängigen Signalwegen) und ein Außenmembran-β-Fass-Protein (in den sogenannten Synthase-abhängigen Signalwegen). Dennoch gibt es Beispiele für Stoffwechselwege, die diesen einfachen Schemata nicht zu folgen scheinen: Insbesondere in einigen Wzx/Wzy-Wegen waren β-Fass-Proteine ​​der äußeren Membran als wichtig für den Export von Polysacchariden bekannt, beispielsweise in Vibrio cholerae und Myxococcus xanthus , aber der genaue Mechanismus war unklar. Darüber hinaus beschreiben andere Studien kurze OPX-Proteine, denen der Teil fehlt, der sich in die äußere Membran integriert. Hier ist unklar, wie diese Proteine ​​den Polysaccharidexport unterstützen könnten.

Ein Forschungsteam am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie unter der Leitung von Lotte Søgaard-Andersen konnte diese Fragen neu beleuchten. Mithilfe von Experimenten und computergestützter Strukturbiologie weisen die Wissenschaftler einen völlig neuartigen Mechanismus nach, wie Bakterien Polysaccharide über die äußere Membran exportieren können. Johannes Schwabe, Doktorand und Hauptautor der Studie, und Dr. María Pérez-Burgos sagen: „Wir begannen damit, den Wzx/Wzy-abhängigen Weg für die Synthese eines sekretierten Polysaccharids namens EPS in M. Xanthus.“

Nach derzeitigem Kenntnisstand würde EPS von einem OPX-Protein, das in die Membran integriert ist, über die äußere Membran sezerniert werden. Die Gruppe fand jedoch heraus, dass ein β-Barrel-Protein der äußeren Membran namens EpsX auch für den EPS-Export wichtig ist. „Dann entdeckten wir überraschenderweise ein entsprechendes periplasmatisches kurzes OPX-Protein EpsY, dem der Teil, der die äußere Membran überspannt, komplett fehlt. Zusammen mit Dr. Timo Glatter fanden wir außerdem heraus, dass EpsX und EpsY direkt interagieren.“

Basierend auf ihren Beobachtungen und rechnergestützter Strukturbiologie schlagen die Wissenschaftler vor, dass EpsX und EpsY einen neuartigen Translokontyp für den Export von Polysacchariden durch die äußere Membran darstellen, wobei ein β-Fass-Protein explizit als der die äußere Membran überspannende Teil in einem zweiteiligen Komplex mit fungiert ein vollständig periplasmatisches OPX-Protein.

Dieses detaillierte Wissen könnte laut Lotte Søgaard-Andersen neue Wege eröffnen, um krankheitserregende Bakterien zu bekämpfen. Sie erklärt: „Marco Herfurth, ein Doktorand in meiner Forschungsgruppe, fand mithilfe von Computergenomik heraus, dass ähnliche zusammengesetzte Systeme in gramnegativen Bakterien weit verbreitet sind.

„Zum Beispiel erklärt dieses neue System, wie V. cholerae sein VPS-Polysaccharid absondert, das für die Biofilmbildung und Virulenz wichtig ist. Somit haben unsere Ergebnisse nicht nur erhebliche Auswirkungen auf unser Verständnis des Polysaccharidexports in M. xanthus, sondern auch tiefgreifende Implikationen für unser allgemeines Verständnis des Exports von Polysacchariden in Gram-negative Bakterien.“