Schutzmechanismus mit Risiken

Bakterielle Biofilme sind weit verbreitete Zellaggregate, die Mikroorganismen das Überleben unter widrigen Bedingungen ermöglichen. Diese Schichten zeigen eine hohe Resistenz gegenüber mechanischen und chemischen Einflüssen. Für den Menschen stellen sie ein Risiko dar, etwa wenn sie medizinische Geräte oder Oberflächen in der Lebensmittelverarbeitung besiedeln – und dort auch pathogene Keime beherbergen.

Zudem bieten Biofilme den Mikroorganismen die Möglichkeit, genetische Informationen auszutauschen. Das erleichtert die Entwicklung von Antibiotikaresistenzen, wenn beispielsweise resistente Keime ihre Eigenschaften an andere Bakterienarten weitergeben. Auch die Aufnahme von Nährstoffen wird durch die Biofilme unterstützt.

Fokus auf Pseudomonas aeruginosa

Vor allem, wenn krankmachende Bakterien Biofilme bilden, ist es entscheidend, deren Entstehungsmechanismen zu verstehen. Diesem Ziel hat sich die Arbeitsgruppe Synthetische Membransysteme der HHU unter Leitung von Prof. Dr. Alexej Kedrov gewidmet – in Kooperation mit Kolleginnen und Kollegen der LMU München und der Universität Groningen. Im Fokus der Untersuchung stand der Krankenhauskeim Pseudomonas aeruginosa, der beim Menschen unter anderem Lungenentzündungen, Harnwegsinfekte und Meningitis verursachen kann und gegen zahlreiche Antibiotika resistent ist.

Prof. Kedrov erklärt: „Um Biofilme zu bilden, synthetisieren und exportieren Bakterien verschiedene Biopolymere, allen voran Polysaccharide – bestimmte Zuckerketten. Trotz jahrzehntelanger Forschung sind die Kenntnisse, wie die Synthese oder der Transport von statten gehen, noch gering. Wir haben uns auf das Polysaccharid ‚Pel‘ konzentriert, das P. aeruginosa produziert.“

Die Proteinmaschinerie hinter dem Biofilm

Für die Produktion von Pel ist eine komplexe Proteinmaschinerie erforderlich, die beide Zellmembranen durchdringt. Dazu Prof. Kedrov: „Bisher waren aber weder die Struktur der Maschinerie noch deren Dynamik bekannt. Mit Hilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie können wir die Struktur des PelBC-Komplexes in den Lipidmembranen auflösen und den Weg des Pel-Polysaccharids identifizieren.“

Ein zentrales Ergebnis der Studie betrifft die elektrostatischen Wechselwirkungen, die für den Aufbau des Komplexes essenziell sind. Marius Benedens, Erstautor der Publikation, führt aus:
„Unsere Studie zeigt, wie elektrostatische Wechselwirkungen in der Natur genutzt werden, um den Exportkomplex zusammenzusetzen und den Transport des Polysaccharids zu ermöglichen. Damit die Zelle überlebt, darf die Pore für den Transport jedoch nicht dauerhaft offen vorliegen. Daher ist eine kleine Konformationsänderung am Ende dieser Pore notwendig – dabei öffnet sich gewissermaßen ein winziges Tor.“

Perspektiven für die Biofilmforschung

Die detaillierte Struktur des Exportkomplexes könnte künftig neue Ansätze zur Kontrolle der Biofilmbildung eröffnen. Prof. Kedrov resümiert:
„Es ist spannend, die Organisation einer komplexen Struktur so detailliert zu sehen. Sie zeigt unter anderem, wie die Natur Herausforderungen im Proteindesign löst, beispielsweise die Kopplung eines symmetrischen Rings von PelC-Untereinheiten an den asymmetrischen PelB-Kanal. Möglicherweise können unsere Ergebnisse genutzt werden, um den Export von Pel gezielt zu blockieren und so die Biofilmbildung zu unterdrücken.“

Als nächsten Schritt planen die Forschenden, den Exportmechanismus im Detail zu analysieren. Darüber hinaus soll ein weiterer beteiligter Proteinkomplex untersucht werden, der für die Synthese von Pel im Zytoplasma und dessen Transport über die innere Membran verantwortlich ist.

Originalpublikation:
Benedens, M., Rosales-Hernandez, C., Straathof, S. A. P., Loschwitz, J., Berninghausen, O., Maglia, G., Beckmann, R., & Kedrov, A. (2025). Assembly and the gating mechanism of the Pel exopolysaccharide export complex PelBC of Pseudomonas aeruginosa. Nature Communications, 16, 5249. DOI: 10.1038/s41467-025-60605-8

Quelle: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU)