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Wie Bakterien DNA aus der Umwelt aufnehmen und so resistent werden

Antibiotika-ResistenzenBakterien nehmen DNA über „gekröntes Haupt“ auf

Bakterien besitzen die Fähigkeit, DNA aus dem Ökosystem aufzunehmen und sich so immer wieder zu verwandeln. Forscher der Goethe-Universität Frankfurt und dem Max-Planck-Institut für Biophysik haben neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie sie dies bewerkstelligen. Langfristig könnte dieses Wissen hilfreich bei Bewältigung von Antibiotika-Resistenzen sein.

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Antibiotika-Resistenzen: Bakterien nehmen DNA über „gekröntes Haupt“ auf

Viele Bakterien können freie DNA aus dem Ökosystem aufnehmen und damit neue Eigenschaften erwerben, die ihnen ein besseres Überleben ermöglichen. Allseits bekanntes und beklagtes Beispiel ist der Erwerb von Antibiotika-Resistenzen, denn sie erschweren oder verhindern es, krankmachende Bakterien auszuschalten.  Wie das hochkomplexe Molekül DNA in die Bakterienzelle aufgenommen wird, war jedoch lange Zeit ein Rätsel. Forschern der Goethe-Universität ist zusammen mit Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Biophysik auf dem Campus Riedberg nun ein Durchbruch gelungen.

„Wir haben erste Einblicke in einen Teil einer riesigen makromolekularen Maschine erhalten, die DNA bindet, durch die äußeren Zellschichten zieht, dabei die DNA in die beiden Einzelstränge zerlegt und dann einen Strang aufnimmt“, erklärt Professorin Beate Averhoff aus der Abteilung Molekulare Mikrobiologie und Bioenergetik des Instituts für Molekulare Biowissenschaften. Die Mikrobiologin hat diesen Erfolg gemeinsam mit den Arbeitsgruppen Kühlbrandt und Hummer (Max-Planck-Institut für Biophysik) erzielt.

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Teil dieser „Maschine“, die die DNA bindet und zieht, ist der sogenannte Sekretin-Komplex, dessen Struktur mit dem Kryo-Elektronenmikroskop und einer Auflösung von 7 Ångström aufgeklärt wurde. Dieser Komplex ragt wie eine Pistole aus der Zellwand und trägt eine erst jetzt erkannte „Krone“. Genetische Studien zeigen, dass diese Krone nicht aus dem Sekretin-Protein geformt wird. Allerdings führen Mutationen in der „Pistole“ dazu, dass die Krone auseinanderfällt und die Zellen dann auch keine DNA mehr aufnehmen können – was auf eine ausschlaggebende Rolle dieses Zellteils bei diesem Vorgang hinweist.

„Mit der Krone haben wir vielleicht einen entscheidenden Schalter für die Erkennung und Bindung der DNA entdeckt“, meint Averhoff. Deshalb hat die Suche nach dem Kronenprotein in der Arbeitsgruppe von Beate Averhoff bereits begonnen. „Unsere Arbeiten tragen zum grundsätzlichen Verständnis der Übertragung von DNA bei. Aber natürlich wollen wir auch Zielstrukturen identifizieren, die man ausschalten kann, um DNA-Transfer zu unterbinden und damit z.B. die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen einzudämmen. Die Krone könnte eine solche vielversprechende Zielstruktur sein“, sagt Beate Averhoff. 

Publikation
doi.org/10.7554/eLife.30483.001

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