Flucht aus dem Bakterieninneren

News: Flucht aus dem Bakterieninneren

Krankheitsauslösende Bakterien können Menschen das Leben mitunter zur Qual machen. Doch mit dem Problem von unerwünschten Gästen stehen wir nicht alleine da, denn auch Mikroorganismen kennen natürliche Feinde: Bakteriophagen zwängen den befallenen Wirtsorganismen ihren Willen auf und mißbrauchen sie zur Vervielfältigung ihresgleichen. Nach der erfolgreichen Vermehrung gelingt einem winzigen Vertreter die Flucht, indem er ein wichtiges Gen für den Aufbau der Bakterienzellwand ausschaltet.

Ulrike Knoll

Ein dreidimensionales Netzwerk umhüllt als feste, aber poröse Schicht die Bakterienzelle, welche ihr mechanische Stärke und die charakteristische Form verleiht. Das wesentliche Material, aus dem die sehr stabile, dynamische Zellwand gestrickt ist, heißt Murein und ist ein quervernetztes Polymer aus langen Zuckersträngen und kurzen Peptidbrücken. Nur Bakterien tragen einen derartigen Mureinmantel und weisen somit eine "Achillesferse" auf, die sie verwundbar macht.

Auf diese "Schwachstelle" im bakteriellen Organismus zielen nicht nur Medikamente, sondern auch die so genannten Bakteriophagen. Diese meist aus einem Kopf- und einem Schwanzteil aufgebauten Parasiten heften sich nur an Bakterien an und injizieren ihr Erbmaterial ins Zellinnere. Nach der Infektion beschlagnahmt die Phagen-DNA die Wirtsmaschinerie für ihre Zwecke und kurbelt die Produktion von Tausenden neuer Phagen an. Doch wie gelangt diesem gewaltigen Heer an Nachkommen die Flucht aus dem Bakterieninneren, um weitere Opfer heimzusuchen?

Den entscheidenden Durchbruch erzielen einige gewiefte Phagen, indem spezielle Enzyme die Bakterienzellwand verdauen und so den Weg in die Freiheit ebnen. Winzige Vertreter benutzen hingegen eine andere geschickte Strategie, um sich aus der Gefangenschaft zu befreien. So blockiert der Phage "PhiX174" die bakteriellen Enzyme, welche die Vorstufen des Mureins herstellen – wie Ryland Young und seine Mitarbeiter von der Texas A&M University bereits früher zeigten.

Nun widmeten sich die Wissenschaftler um Young dem Phagen "Q beta". Dieser Vertreter produziert das Protein A₂, welches er benötigt, um an bestimmte Oberflächenstrukturen seines Wirtes anzudocken. Die Forscher infizierten Escherichia-coli-Bakterien mit dem Phagen, doch nicht alle befallenen Organismen fielen ihrem Parasiten zum Opfer. Vielmehr erwiesen sich einige Stämme als ungewöhnlich resistent und überlebten die Infektion.

Wie eine genauere Untersuchung ans Licht brachte, blockierte der Phage mithilfe seines Proteins A₂ ein bakterielles Enzym, das vom murA-Gen codiert wird. Dieses Gen nimmt eine zentrale Rolle beim Aufbau der Bakterienzellwand ein, da es am Anfang der Murein-bildenden Kaskade steht. Wird murA und damit auch sein entsprechendes Enzym ausgeschaltet, so wird die ganze Mureinsynthese lahmgelegt, die infizierten E.-coli-Bakterien haben keine Überlebenschance.

Ist hingegen eine einzige Aminosäure in dem Enzym gegen eine andere ausgetauscht – wie es die Forscher an jenen widerstandsfähigen Bakterien nachwiesen – so verleiht diese Mutation ihren Trägern eine Resistenz gegen die sonst tödlichen Phagen, denn das von den Parasiten hergestellte Protein A₂ verliert seinen Angriffspunkt und kann nicht hemmend in die Mureinsynthese eingreifen.

Diese Ergebnisse liefern möglicherweise eine neue molekulare Zielscheibe im Kampf gegen Bakterien mit Antibiotikaresistenzen, gegen die herkömmliche Medikamente bereits machtlos sind. "Idealerweise könnte ein kleines Stückchen des verantwortlichen Proteins von einem Pharmaunternehmen nachgebaut werden", spekuliert Struck aus dem Forscherteam. "So könnte ein Medikament entwickelt werden, das gegen viele Bakterien oder gegen einen bestimmten Krankheitserreger wirkt und es könnte sogar einfach verändert werden, um Resistenzen zu überwinden."