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Universität Basel

27. Februar 2015

Bakterielle Harpune im Nanomassstab

Einen Mikrometer lang und weniger als dreissig Nanometer breit – ungefähr tausend Mal dünner als ein menschliches Haar –, das ist die Grösse einer bakteriellen «Harpune». Dieses sogenannte Typ-VI-Sekretionssystem von Bakterien ist eine beinah unschlagbare Waffe im Kampf gegen Konkurrenten oder beim Befall von Wirtszellen. In ihrer aktuellen Veröffentlichung in «Cell» gibt das Team von Prof. Marek Basler vom Biozentrum der Universität Basel Aufschluss über die atomare Struktur dieses Sekretionsapparates.

Struktur der kontrahierten Hülle des Typ-VI-Sekretionssystems von Vibrio cholerae.
Struktur der kontrahierten Hülle des Typ-VI-Sekretionssystems von Vibrio cholerae. © Universität Basel, Biozentrum.

Viele verschiedene Arten von Bakterien einschliesslich des Erregers der Cholera oder der Lungenentzündung nutzen das Typ-VI-Sekretionssystem (T6SS), um eukaryotische Wirtszellen, aber auch Konkurrenten in der Umgebung zu töten und so ihre eigenen Überlebenschancen zu verbessern. Dieses vielfältige Werkzeug spielt aber nicht nur für die Virulenz von Krankheitserregern eine wichtige Rolle, sondern auch bei der Symbiose sowie den Wechselwirkungen zwischen Bakterien. Ein Team von Forschern unter der Leitung von Marek Basler, Professor am Biozentrum der Universität Basel, hat nun die Struktur eines bedeutendes Bauteils des T6SS auf atomarer Ebene aufgeklärt und gewährt damit ganz neue Einblicke in den Aufbau dieser Nanomaschine.

Atomare Details einer bakteriellen Nanomaschine

«Den T6SS-Injektionsapparat kann man sich als eine extrem winzige Harpune vorstellen, mit dem Bakterien giftige Proteine direkt in ihre Zielzellen injizieren», erklärt Marek Basler. Obwohl diese Nanomaschine schon vor etwa zehn Jahren erstmals beschrieben wurde, waren Details seiner Struktur immer noch ungeklärt. Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie, modernster Kameratechnik sowie neu entwickelten Computertechnologien gelang es der Gruppe um Marek Basler, ein atomares Modell von einem bestimmten Bauteil, der Hülle der «T6SS-Harpune», zu erstellen.

«Diese Hülle ist im Prinzip eine sehr raffinierte Röhre, die sich innert fünf Millisekunden zusammenzieht und dadurch einen Giftspeer aus der Bakterienzelle herausstösst», beschreibt Marek Basler die Funktionsweise. «Wir konnten nun erstmals mit atomarer Auflösung zeigen, wie genau die einzelnen Untereinheiten der kontrahierten Hülle miteinander verknüpft sind und dabei zahnradartige Ringe hervorbringen, die sich wiederum zu einer sehr langen Röhre verbinden. Im Inneren dieses Rohrs sind die Untereinheiten mit einer 'Handshake'-Domäne aneinander befestigt. Genau diese ist entscheidend für die Montage sowie die rasante Kontraktion», erklärt Basler.

Zusammenziehbare Hülle in Viren ähnlich

Darüber hinaus ergaben strukturelle Vergleiche zwischen der T6SS-Hülle des Cholera-Erregers und der Hülle des Injektionsapparates von Bakteriophagen – Viren, die Bakterien angreifen –, dass beide Injektionssysteme auf einen gemeinsamen Vorfahren zurückgehen. Bakterien entwickelten jedoch eine andersartige Hülloberfläche, die das Recycling der einzelnen Bausteine möglich macht. «Unsere Studie gibt einen tiefen Einblick in die Struktur und die grundlegenden Mechanismen, wie diese Nanomaschine im Detail funktioniert», sagt Basler. «In weiterführenden Experimenten möchten wir nun den Bau der langgestreckten Hülle aufklären sowie den Übergang zur kontrahierten Form genauer untersuchen.» Dieses Wissen könnte als Grundlage für die Entwicklung neuartiger antibiotischer Therapien oder von Systemen zur Freisetzung von Makromolekülen dienen.

Originalbeitrag

Mikhail Kudryashev, Ray Yu-Ruei Wang, Maximilian Brackmann, Sebastian Scherer, Timm Maier, David Baker, Frank DiMaio, Henning Stahlberg
Edward H. Egelman, Marek Basler.
Structure of the type VI secretion system contractile sheath
Cell, published online 26 February 2015. doi:10.1016/j.cell.2015.01.037


Weitere Auskünfte

Prof. Marek Basler, Universität Basel, Biozentrum, Tel. +41 61 267 21 10, E-Mail: marek.basler@unibas.ch

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