Studie zu Bakterien-DNA liefert Erkenntnisse zu Geheimnissen des Lebens
Zu ihrer Fortpflanzung müssen alle Lebewesen in der Lage sein, ihre genetischen Informationen zu vervielfältigen und auf ihre Nachkommen zu übertragen. An diesem komplexen Vorgang der sogenannten DNA-Replikation sind zahlreiche Proteine und Enzyme beteiligt, die streng reguliert werden müssen, um die Genomstabilität und Informationstreue zu gewährleisten. „Die DNA-Replikation ist ein grundlegender Prozess des Bakterienzellzyklus“, erklärt Michele Felletti, Projektkoordinator von NutriCoRe und Postdoktorand an der Universität Stockholm, Schweden. „Unter idealen Bedingungen können sich Bakterien über mehrere Generationen hinweg innerhalb kurzer Zeit teilen und vermehren.“ Unter Stressbedingungen – wie zum Beispiel Nährstoffmangel – gehen Bakterien hingegen in eine Art Überlebensmodus über. Bei krankheitserregenden Bakterien steht dieser Modus oft mit Antibiotikatoleranz und Infektionspersistenz in Zusammenhang.
Ergründung des Lebens
Ziel des Projekts NutriCoRe war es, ein besseres Verständnis von den molekularen Mechanismen zu erlangen, durch die Bakterienzellen in der Lage sind, einen Mangel an Nährstoffen zu erkennen, die DNA-Replikation auszusetzen und in eben jenen Überlebensmodus überzugehen. Die mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführte Forschung konzentrierte sich auf das bedeutende Protein DnaA. Es kommt in nahezu allen Bakterien vor und spielt eine entscheidende Rolle bei der Initiierung der DNA-Replikation. „Die DNA-Regulation gehört zu den wichtigsten und faszinierendsten biologischen Prozessen überhaupt“, so die Projektleiterin Kristina Jonas, die als Assistenzprofessorin für molekulare Biowissenschaften an der Universität Stockholm in Schweden tätig ist. „Wir erkannten, dass ein besseres Verständnis vom Leben selbst erst möglich ist, wenn dieser Prozess besser verstanden wird. „Zudem waren wir der Ansicht, dass ein besseres Verständnis davon, wie Bakterien über die Initiierung der DNA-Replikation entscheiden, möglicherweise neue Erkenntnisse darüber liefern könnte, wie man die Vermehrung von Bakterien in der Medizin und Industrie kontrollieren könnte.“ Mithilfe von gentechnischen und biochemischen Verfahren untersuchten Felletti und Jonas, wie sich die DnaA-Konzentration im Modell des Bakteriums Caulobacter crescentus bei Nährstoffmangel verändert. Obwohl es sich bei Caulobacter eigentlich um ein nicht-pathogenes Süßwasserbakterium handelt, ist es eng mit Bakterien verwandt, die für die menschliche Gesundheit, die Ökologie und die Biotechnologie von Bedeutung sind. Die Forschenden stellten fest, dass die DnaA-Synthese bei Nährstoffmangel ausgesetzt wird. Sie fanden Nachweise dafür, dass die zelluläre Maschinerie, die für die Proteinsynthese zuständig ist, die DnaA-Produktion bereits im ersten Stadium der DnaA-Synthese einstellt, wenn die Nährstoffkonzentration in den Zellen gering ist. „Ähnlich könnten andere Bakterien diese Mechanismen einsetzen, um bei einem Nährstoffmangel wesentliche Proteine zu regulieren“, erläutert Felletti.
Entwicklung von Antibiotika
Der neu identifizierte Mechanismus könnte ein neues regulatorisches Prinzip darstellen, nach dem die Regulation der Genexpression als Reaktion auf die Nährstoffverfügbarkeit in Bakterien erfolgt. „Im Allgemeinen haben die Ergebnisse dieser Studie neue Erkenntnisse über die Vielfalt der Regulationsmechanismen zutage gefördert, die für die DNA-Replikation – und damit für einen der wichtigsten biologischen Prozesse überhaupt – zuständig sind“, so Jonas. Langfristig könnten diese Erkenntnisse auch die Entwicklung von Antibiotika unterstützen, die direkt auf bestimmte Elemente der DNA-Replikationsmaschinerie abzielen, und damit zur Entwicklung neuer Behandlungsstrategien bei bakteriellen Infektionen beitragen. „Es wäre fantastisch, wenn unsere Ergebnisse dazu beitragen könnten, die Kontrolle des Bakterienwachstums für Industrie und Biotechnologie zu ermöglichen, wie zum Beispiel durch die künstliche Erzeugung von Bakterien mit maßgeschneiderten Funktionen“, fügt Jonas hinzu. Die Entschlüsselung der molekularen Mechanismen, die der Bakterienvermehrung zugrunde liegen, bleibt jedoch nach wie vor eine der wichtigsten Herausforderungen der Biologie. „Das NutriCoRe-Projekt konnte zwar wichtige Erkenntnisse über die Regulation der DnaA- und DNA-Replikation liefern, doch handelt es sich dabei nicht um den einzigen biologischen Prozess, der durch die Nährstoffverfügbarkeit beeinflusst wird“, merkt Felletti an. „Auch andere wichtige zelluläre Prozesse wie das Zellwachstum, die Zellteilung und die Proteinsynthese unterliegen bestimmten Mechanismen der Nährstoffregulation. Es ist weiterhin nötig, diese Regulationsmechanismen bei unterschiedlichen Bakterienarten eingehender zu erforschen.“
Schlüsselbegriffe
NutriCoRe, DNA, Zellen, Genetik, Biochemie, Proteine, Enzyme, Bakterien, Medizin, Arzneimittel, krankheitserregend, pathogen