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Structural sudies of the bacterial lipid rafts.

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Neue Erkenntnisse über bakterielles Schutzsystem gegen Antibiotika

„Lipid Rafts“ (Lipidflöße) übernehmen in Zellmembranen von Eukaryoten und in ähnlicher Weise auch bei Prokaryoten (Organismen, deren Zellen einen bzw. keinen Zellkern besitzen) wichtige Funktionen wie Signalübertragung und Transport. Dabei stehen diese Lipidflöße, wie neuere Daten nahelegen, mit der Entstehung von Multiresistenzen gegen Arzneimittel in Zusammenhang, zeigen aber auch Möglichkeiten zu deren Bekämpfung auf.

Gesundheit

Das Flüssig-Mosaik-Modell der Zellmembran wurde vor fast 50 Jahren entworfen, beschreibt die Organisation biologischer Membranen und ist noch weitgehend gültig. Jedoch gilt inzwischen als gesichert, dass die Mosaikform nicht das Ergebnis einer passiven Diffusion und der daraus resultierenden homogenen Dispersion ist, sondern vielmehr ein Zusammenschluss aus spezifischen Lipiden und Proteinen, die in Eukaryoten Mikrodomänen (eben jene „Lipid Rafts“) bilden. Inzwischen wurden solche Strukturen auch in prokaryotischen Zellen entdeckt, die dort als „funktionelle Membran-Mikrodomänen“ bezeichnet werden, um sie von ihren eukaryotischen Äquivalenten zu unterscheiden. Lipidflößen kommen wichtige zelluläre Aufgaben zu, etwa die Gewährleistung von Proteinfunktionen. Voraussetzung hierfür ist allerdings die Integrität dieser Mikrodomänen, da Störungen neurodegenerative, Herz-Kreislauf- oder andere Erkrankungen auslösen können. Weder liegen jedoch genauere Details zur Struktur dieser Lipidflöße noch zur Struktur und Funktion ihrer prokaryotischen Äquivalente – den funktionellen Membran-Mikrodomänen – vor. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts RaftsStruc, das über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt wurde, untersuchte Marta Ukleja nun die Struktur der funktionellen Membran-Mikrodomänen, um ihre Existenz zu belegen und potenzielle Funktionen zu enthüllen.

Ein Schritt nach dem andern

Die Entdeckung von funktionellen Membran-Mikrodomänen und ihrer Lipide erfolgte vor reichlich 10 Jahren durch Daniel Lopez, Projektkoordinator von RaftsStruc. Sie enthalten das eukaryotische Protein Flotillin, das nur in Lipidflößen vorkommt, sodass die konservierten Strukturen und Funktionen für die Forschung immer interessanter werden. In den darauf folgenden 10 Jahren erweiterte das Labor von Lopez am Nationalen Zentrum für Biotechnologie (CNB-CSIC) das Wissen um funktionelle Membran-Mikrodomänen um einige weitere Aspekte, u. a. eine wichtige Verbindung zwischen ihnen, Flotillin und einem multiresistenten Stamm von Staphylococcus aureus. Der Methicillin-resistente S. aureus (MRSA) ist ein lebensgefährlicher, weltweit bedeutsamer Krankenhauskeim. Seine Multiresistenz, die bereits wenige Jahre nach dem Ersteinsatz von Penicillin nachgewiesen wurde, wird seit längerem mit dem Penicillin-bindenden Protein 2a (PBP2a) assoziiert. PBP2a bindet mit niedrigerer Affinität an Penicillin und Penicillin-ähnliche Antibiotika (Beta-Lactame) als andere Penicillin-bindende Proteine. Die Arbeitsgruppe um Lopez zeigte, dass Flotillin die Bildung von funktionellen Membran-Mikrodomänen und die Polymerisation von PBP2a beeinflusst und dass eine gestörte Organisation der funktionellen Membran-Mikrodomänen diese Polymerisation stört. Dies wiederum kann die Resistenzbildung bei MRSA verhindern. Unter all diesen Aspekten fehlte jedoch bislang ein wichtiges Puzzleteil.

Entdeckung eines wichtigen Signalwegs im Kampf gegen MRSA

Im Jahr 2017 stieß Marta Ukleja zu Lopez‘ Laborteam hinzu, um mit modernster Kryo-Elektronenmikroskopie (cryoEM) die 3D-Struktur von Flotillin und PBP2a wie auch deren Wechselwirkungen untereinander zu untersuchen. Da der Kenntnisstand zu Multiresistenzen unbefriedigend war, die medizinische Relevanz von MRSA aber immer dringlicher wurde, waren neue Erkenntnisse hochwillkommen, was das Forschungsvorhaben risiko-, aber auch sehr aussichtsreich machte. „Um Strukturanalysen durchführen zu können, gelang es uns, Flotillin und PBP2a überzuexprimieren und aufzureinigen. Dabei fiel auf, dass das vollständige, aufgereinigte PBP2a-Protein als Dimer und nicht, wie zuvor vermutet, als Monomer vorliegt, und diese Dimerbildung für die Antibiotikaresistenz offenbar eine wichtige Voraussetzung ist“, erklärt Ukleja. Ukleja und Lopez gingen dieser eher zufälligen Entdeckung nach und legten ihre neuen Erkenntnisse in zwei Publikationen dar. Einer der Forschungsberichte beschreibt die PBP2a-Dimerisation und ihren Einfluss auf die Resistenzbildung, der andere beschreibt die mittels CryoEM enthüllte Struktur und Funktion eines weiteren Proteinpartners von Flotillin. In Anerkennung der wissenschaftlichen Fortschritte und Bedeutung von Uklejas Arbeit bewilligte der spanische nationale Forschungsrat die weitere Forschungsförderung, sodass bald wirksamere Therapien gegen MRSA greifbar werden.

Schlüsselbegriffe

RaftsStruc, PBP2a, Flotillin, Lipidflöße, MRSA, funktionelle Membran-Mikrodomäne, Penicillin-bindendes Protein 2a, Methicillin-resistenter S. aureus

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