08.03.2022 - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Wie Bakterien mit Speer-Kanonen feuern

Überraschende Verankerung in der Zelle

Biologinnen und Biologen der ETH Zürich haben in zwei Bakterienarten speerähnliche molekulare Injektionssysteme entdeckt und erstmals deren Struktur beschrieben. Die Nanomaschinen dienen den Mikroben für die Wechselwirkung unter Zellen und könnten dereinst als Werkzeuge in der Biomedizin nützlich sein.

Viele Bakterien besitzen ausgeklügelte molekulare Injektionsapparate, mit denen sie teils wunderliche Dinge bewerkstelligen. Über eine solche aus Proteinen zusammengesetzte Nanomaschine etwa impft ein Bakterium einer Wurmlarve bestimmte Moleküle ein, was die Verwandlung der Larve in einen ausgewachsenen Wurm auslöst. Andere Bakterien töten mit solchen molekularen Waffen fremde Bakterienstämme oder Insektenlarven ab, oder sie verteidigen sich gegen Fresszellen.

Forscherinnen und Forscher der Gruppe von Martin Pilhofer, Professor am Institut für Molekularbiologie und Biophysik an der ETH Zürich, der sich auf solche molekularen Injektionsmaschinen spezialisiert hat, haben soeben in der Fachzeitschrift «Nature Microbiology» zwei neuartige Injektionssysteme beschrieben: eines aus Cyanobakterien, auch als Blaualgen bezeichnet, und eines aus dem Meeresbakterium Algoriphagus machipongonensis.

Die neu entdeckten sogenannten kontraktilen Injektionssysteme (CIS, von engl. contractile injection systems) funktionieren grundsätzlich anders als zuvor beschriebene und besitzen ein paar einzigartige Merkmale. Dadurch geben sie auch Aufschluss über die evolutionären Unterschiede zwischen verschiedenen Injektionssystem-​Klassen.

Solch kontraktile Injektionssysteme funktionieren wie molekulare Spritzen. Zieht sich das äussere Hüllenmodul der Nanomaschine zusammen, wird eine in ihr verborgene Röhre herausgeschossen, die mit Proteinen beladen ist. Diese werden entweder in die Umgebung oder direkt in eine Zielzelle eingespritzt.

Eine überraschende Verankerung in der Zelle

Das neuartige CIS, das die Forschenden in Cyanobakterien gefunden haben, war zudem nicht wie erwartet in der Zellmembran verankert oder lose im Zellinneren schwimmend, sondern an der sogenannten Thylakoid-​Membran befestigt. Diese Membran ist eine Besonderheit von Cyanobakterien und ist der Ort, wo in diesen Bakterien die Photosynthese abläuft.  

«Das war für uns die grösste Überraschung», sagt Gregor Weiss, Hauptautor der Studie über das Cyanobakterien-​Injektionssystem. Trotz dieser ungewöhnlichen Lokalisierung erfüllen die in der Thylakoid-​Membran verankerten CIS – als tCIS bezeichnet – ihren Zweck: Werden Cyanobakterien gestresst, etwa durch zu hohe Salzkonzentrationen im Wasser oder ultraviolettes Licht, löst sich die Zellhülle ab. Dadurch werden die nach aussen gerichteten tCIS freigelegt und sind bereit, bei Kontakt mit potenziellen Zielzellen loszufeuern.

Die molekularen Speerkanonen sind zudem unerwartet häufig, was gemäss Weiss auf eine wichtige Rolle im Lebenszyklus der Cyanobakterien hinweist. Er vermutet, dass die tCIS eine Rolle beim programmierten Zelltod einzelner Zellen in diesen mehrzelligen Cyanobakterien spielen könnte.

Extrazelluläres Injektionssystem

Die ETH-​Forscher Jingwei Xu und Charles Ericson, die ebenfalls in Pilhofers Gruppe tätig sind, entdeckten und beschreiben dagegen ein vom Meeresbakterium Algoriphagus machipongonensis produziertes CIS, das überhaupt nicht in der Zelle verankert ist, sondern von ihr in die Umgebung freigesetzt wird, um auf Zielzellen in der Umgebung einzuwirken.

Die Forscher bestimmten unter anderem mithilfe der Kryo-​Elektronenmikroskopie die Struktur dieses spezifischen Untertyps von ausgestossenen CIS (eCIS) in sehr hoher Auflösung, was vorher noch keiner anderen Arbeitsgruppe gelungen ist.

«Die neu entdeckten Nanomaschinen geben uns Hinweise darauf, dass kontraktile Injektionssysteme verbreiteter sind als angenommen», sagt Ericson.

Von Molekülen zu ganzen Bakterien

Das Besondere an diesen Studien ist ihr interdisziplinärer, vielfältiger Ansatz: von Bakterien, die in natürlichen Ökosystemen gesammelt wurden, bis hin zu Modellen ihrer jeweiligen CIS auf atomarer Ebene. «Diese Arbeit zeigt sehr schön, wie verschiedene Techniken eingesetzt werden können, um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie diese Injektionssysteme und Strukturen funktionieren», erklärt Weiss. Ausserdem zeige die Studie auf, dass es nötig werde, von Laborstämmen zu Umweltproben überzugehen, um die Rolle der Injektionssysteme im Lebenszyklus zu verstehen.

Künftige Verwendung in der Biomedizin

Die beiden Studien helfen den Forschenden zu verstehen, wie CIS-​produzierende Organismen ihre Umwelt beeinflussen. Darüber hinaus geben unterschiedliche Stellen in diesen Systemen Aufschluss darüber, wie jedes CIS für einen bestimmten Zweck organisiert ist: Spezialisierte haarartige Rezeptoren ermöglichen die gezielte Bindung von Zielzellen; eine variable Beladung dieser molekularen Spritzen verursacht verschiedene zelluläre Effekte, und unterschiedliche Verankerungsmechanismen ermöglichen den CIS völlig unterschiedliche Funktionen.

Vor diesem Hintergrund ist denkbar, dass Forschende künftig die aus mehreren Modulen aufgebaute Struktur in der Biomedizin nutzen und sie so umgestalten, dass die Speerkanonen auf bestimmte Zelltypen abzielen und Medikamente oder antimikrobielle Mittel abfeuern könnten.

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    Dr. Felix Kurth

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