![\"\"](\"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2024\/02\/Lake_Hillier_shutterstock_1510246811_c_matteo_it_banner.jpg\")
<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n
Die Biochemikerin und Mikrobiologin Inga H\u00e4nelt untersucht, auf welche Weise Bakterien das lebenswichtige Element Kalium durch ihre Zellmembran transportieren \u2013 selbst wenn die Umwelt\u00adbedingungen daf\u00fcr \u00e4u\u00dferst ung\u00fcnstig sind.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n
Es gibt sie \u00fcberall \u2013 im Meer, im Boden, in der Luft, in hei\u00dfen Quellen, auf unserer Haut oder im Darm: Bakterien. Dass die Einzeller solch unterschiedliche Lebensr\u00e4ume besiedeln k\u00f6nnen, mag erstaunen. Bei Mehr\u00adzellern wie dem Menschen sind die innen liegenden Zellen ja durch Haut, Schleimh\u00e4ute und den Blutpuffer gut gesch\u00fctzt. Zudem ist immer f\u00fcr konstante Temperaturen gesorgt. Bakterien k\u00f6nnen davon nur tr\u00e4umen. Hitze, Trockenheit, S\u00e4uren und Salze treffen ihre Zellen unmittelbar und mit voller Wucht, da sie von der zuweilen rauen Au\u00dfenwelt lediglich eine hauchd\u00fcnne H\u00fclle trennt \u2013 die stabilisierende Zellwand und ein oder zwei Zellmembranen. Bakterien m\u00fcssen also hart im Nehmen sein.<\/p>\n\n\n\n
Welche Mechanismen sie evolution\u00e4r entwickelt haben, um auf schwierige Umwelt\u00adbedingungen flexibel reagieren zu k\u00f6nnen, untersucht Inga H\u00e4nelt am Institut f\u00fcr Biochemie der Goethe-Universit\u00e4t. Genauer erforscht sie den Transport von positiv geladenen Kaliumionen (K+) durch Membrantransportproteine ins Zellinnere. Denn Kaliumionen brauchen Bakterien f\u00fcr die Aktivit\u00e4t verschiedener Proteinkomplexe, f\u00fcr die Regulation des S\u00e4uregehalts (pH-Wert) und zur Regulation ihres Salz- und Wassergehalts, der sogenannten Osmoregulation. Ger\u00e4t das Kaliumionen-Gleichgewicht in Schieflage, sind also Salz- oder Wassergehalt \u00fcber l\u00e4ngere Zeit zu hoch oder zu niedrig, endet das t\u00f6dlich. Daher haben Bakterien eine Art mehrstufiges Krisenreaktionsmanagement. \u00bbF\u00fcr unterschiedliche Umweltbedingungen gibt es unterschied\u00adliche Transportmechanismen, die gezielt an- und abgeschaltet beziehungsweise neu gebildet und wieder abgebaut werden k\u00f6nnen\u00ab, so H\u00e4nelt.<\/p>\n\n\n\n
Die Kraft des elektrischen Feldes<\/h4>\n\n\n\n
Dabei erm\u00f6glicht ein ausgekl\u00fcgeltes System aus Kan\u00e4len und Pumpen, dass die Kaliumkonzentration im Innern der Zelle h\u00f6her sein kann als au\u00dfen und dass sogar Kaliumionen gegen das Konzentrationsgef\u00e4lle nach innen str\u00f6men. Dabei hilft den Bakterien eine elektrische Spannung, die sie mithilfe der Zellatmung aufbauen, das sogenannte Membranpotenzial. Der Zell\u00adatmungsapparat gewinnt Energie, indem Elek\u00adtronen \u00fcber verschiedene Komponenten des Apparats transportiert werden. Die Energie wird dazu genutzt, um Protonen \u2013 also Wasserstoff\u00adatome, die ein Elektron abgegeben haben \u2013 durch die Membran nach au\u00dfen zu bef\u00f6rdern. Das Zellinnere verliert dadurch positiv geladene Teilchen und ist somit negativ geladen \u2013 so entsteht das Membranpotenzial. Brauchen die Bakterien dann eine frische Fuhre Kalium, \u00f6ffnen sie ihren Kaliumkanal \u2013 und schon werden die Kaliumionen durch den einw\u00e4rts gerichteten elektrischen Gradienten ins Zellinnere gezogen, obwohl die chemische Kaliumkonzentration innen h\u00f6her ist als au\u00dfen.<\/p>\n\n\n\n
Einer der Kaliumkan\u00e4le bei Bakterien hei\u00dft KtrAB. Dieses Protein ist aktiv, solange Bakterien keinen gr\u00f6\u00dferen Stress haben, und l\u00e4sst bei Bedarf Kaliumionen einstr\u00f6men. Er wird \u00fcber Stoffwechselprodukte (Metaboliten) aktiviert, die unter anderem den innerzellul\u00e4ren Kaliumionenspiegel widerspiegeln. Sobald es aber ungem\u00fctlich wird, etwa in saurer Umgebung, muss die Kaliumionenkonzentration schneller und direkt gesteuert werden. Der Kaliumkanal KtrAB legt dann die Arbeit nieder, und der Transporter KimA \u00fcbernimmt. Er reagiert unmittelbar auf die innerzellul\u00e4re Kaliumionenkonzentration. Als ein sogenannter sekund\u00e4r aktiver Transporter nutzt er dabei einen bereits vor\u00adhandenen chemischen Gradienten, der dadurch entsteht, dass in saurer Umgebung die Anzahl von Protonen viel gr\u00f6\u00dfer ist als im Inneren der Zelle, wo ein neutrales Milieu vorliegt. Die Abk\u00fcrzung pH kommt ja vom Lateinischen \u00bbpotentia Hydrogenii\u00ab, also \u00bbKonzen\u00adtration des Wasserstoffs\u00ab. Die Kaliumionen wandern quasi huckepack mit den Protonen in die Zelle ein.<\/p>\n\n\n\n
![\"\"](\"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2024\/02\/DSC_5892_web-500x333.jpg\")
Tricksen mit Konzentrationen<\/h4>\n\n\n\n
Zu den Bakterien, denen KimA wertvolle Dienste leistet, geh\u00f6rt Bacillus subtilis, das vor allem im Boden vorkommt. Wenn sich ein solches Bodenbakterium in beispielsweise einem sauren Boden mit dem pH-Wert 4 befindet, betr\u00e4gt die Protonenkonzentration um die Zellmembran herum ein Zehntausendstel (10-4) Mol pro Liter. Im Innern von Bacillus subtilis herrscht dagegen ein neutrales Milieu mit pH-Wert 7 oder ein Zehnmillionstel (10-7) Mol pro Liter. Daraus folgt, dass sich in der Umgebung eintausend Mal mehr Protonen befinden als im Bakterium \u2013 der Gradient, den KimA f\u00fcr den Transport von \u00adKaliumionen ben\u00f6tigt. Das Bakterium schleust also Kaliumionen mit den Protonen zusammen durch die Zellmembran. Zwar gibt es eine Gegenkraft, den ausw\u00e4rts gerichteten Kaliumionengradienten, der existiert, weil die Kaliumionenkonzentration innen (150 bis 200\u2009Millimol) erheblich h\u00f6her ist als au\u00dfen (normalerweise ungef\u00e4hr 5\u2009Millimol). Aber KimA nutzt den viel st\u00e4rkeren einw\u00e4rtsgerichteten Protonengradienten, um Kaliumionen in die Zelle zu transportieren. So f\u00fcllt Bacillus subtilis in saurer Umgebung problemlos seinen Kaliumionenvorrat auf.<\/p>\n\n\n\n
\u00dcberleben im Salzsee<\/h4>\n\n\n\n
Dann gibt es noch einen dritten Mechanismus, den wiederum andere Stressfaktoren aktivieren. Er kommt unter anderem bei niedrigen Kaliumkonzentrationen zum Einsatz. \u00bbSelbst bei extrem niedrigen Konzentrationen im Mikromolarbereich ist der Transport ins Zellinnere m\u00f6glich\u00ab, so H\u00e4nelt. Auch bei starker Trockenheit oder heftigem osmotischem Stress, etwa in einem Salzsee, h\u00e4lt er die Bakterien am Leben. F\u00fcr Mechanismus Nummer drei ist das Protein KdpFABC zust\u00e4ndig. FABC steht f\u00fcr vier Proteine, von denen A und B in puncto Kaliumionentransport entscheidend sind.<\/p>\n\n\n\n
H\u00e4nelt hat bei KdpFABC etwas entdeckt, das vorher niemand f\u00fcr m\u00f6glich gehalten hat. Das Protein ist nicht nur ein Transporter, sondern Kanal und Transporter in einem. \u00bbEine zellul\u00e4re Chim\u00e4re\u00ab, so die Biochemikerin in Anlehnung an das Mensch-Tier-Mischwesen aus der griechischen Mythologie. Der Vorgang: Protein A, der Kanal, ist selektiv, l\u00e4sst also nur Kalium\u00adionen durch. Kalium wird gebunden und innerhalb des Gesamtkomplexes an Protein B weitergereicht. Dieses ist kein sekund\u00e4r aktiver Transporter wie KimA, sondern ein prim\u00e4r aktiver. Das hei\u00dft, er erzeugt die Energie f\u00fcr den Transport selbst, indem es Adenosintriphosphat (ATP) zu Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat spaltet \u2013 es handelt sich also um eine Pumpe. Protein B von KdpFABC geh\u00f6rt zur gleichen Familie wie die Natrium-Kalium-Pumpe, die bei uns Menschen an der Zellmembran arbeitet und der Natrium- und Kaliumhom\u00f6ostase dient.<\/p>\n\n\n\n
Bakterielles Transportmanagement<\/h4>\n\n\n\n
Viele Bakterien besitzen alle drei Mechanismen, zum Beispiel auch Escherichia coli, ein Bakterium, das im menschlichen Darm die Verdauung unterst\u00fctzt. Au\u00dferhalb des Darms ist es der h\u00e4ufigste Erreger f\u00fcr bakterielle Infektionen beim Menschen. Kanal, Transporter und Pumpe allein nutzen den Bakterien aber wenig, wenn es keine regulativen Instanzen g\u00e4be, die die Prozesse starten und zum richtigen Zeitpunkt wieder stoppen. W\u00fcrde zum Beispiel KdpFABC ohne Unterlass weiterpumpen, obwohl l\u00e4ngst genug Kalium vorhanden ist, w\u00fcrde das Bakterium vergiftet. Daher erforscht H\u00e4nelt jetzt auch verst\u00e4rkt die kontrollierenden Mechanismen f\u00fcr KdpFABC. Ein Pumpen-Regulator ist schon l\u00e4nger bekannt, es sind die sogenannten Histidin-Kinasen. Diese Enzyme merken, wenn Kaliummangel droht und setzen die Proteinbildung in Gang. Hat sich die Situation entspannt, schalten sie das Ablesen der Gene (Transkription) wieder ab, weil neue Pumpen nicht mehr gebraucht werden. Aber was ist mit den bereits installierten Pumpen? \u00bbHaben die Bakterien genug Kalium aufgenommen, m\u00fcssen die ihre Arbeit ja rasch auch wieder beenden\u00ab, sagt H\u00e4nelt. Die Bakterien besitzen daf\u00fcr eine zweite Regulationsm\u00f6glichkeit, eine Art \u203aAus\u2039-Schalter, welchen andere Enzyme, die Serin-Kinasen, bet\u00e4tigen. \u00bbDamit l\u00e4sst sich die arbeitende Kaliumpumpe direkt stoppen.\u00ab<\/p>\n\n\n\n
Was die Forscherin als N\u00e4chstes vorhat? Sie schaut sich Biofilme genauer an. Dabei handelt es sich um jene dreidimensionale Schleimschicht aus Zuckern und Proteinen, in die sich viele Bakterien gemeinsam einbetten. \u00bbBiofilme sind fast wie ein Gewebe. Da sch\u00fctzen die \u00e4u\u00dferen Zellen die inneren und erm\u00f6glichen so das \u00dcberleben der Gemeinschaft\u00ab, erkl\u00e4rt H\u00e4nelt. Denn im h\u00e4rtesten Fall sterben nur die \u00e4u\u00dferen Bakterien, und die inneren k\u00f6nnen sich wieder vermehren. Es ist bereits bekannt, dass in Biofilmen elektrische Signale weitergeleitet werden, \u00fcber die die Einzeller miteinander kommunizieren. Allerdings sind hier noch viele Fragen offen. Daher m\u00f6chte H\u00e4nelt herausfinden, wie genau diese Kommunikation funktioniert, wenn zum Beispiel die Bakterien im Innern des Biofilms hungern, weil nicht mehr genug vom N\u00e4hrstoff Glutamat ins Innere des Biofilms gelangt. Einer aktuellen Hypothese zufolge lassen sie dann Kaliumionen ausstr\u00f6men, wodurch das Zellinnere st\u00e4rker negativ geladen wird und Glutamat dann \u2013 gekoppelt an einstr\u00f6mende Protonen \u2013 besser aufgenommen werden kann. Gleichzeitig sorgen die ausstr\u00f6menden Kaliumionen daf\u00fcr, dass die benachbarten, weiter au\u00dfen liegenden Bakterien weniger negativ geladen sind, wodurch diese weniger Glutamat aufnehmen, das dann f\u00fcr die inneren Zellen verf\u00fcgbar ist. Da nun die benachbarten Zellen hungern, sch\u00fctten sie ihrerseits Kaliumionen aus. Auf diese Weise pflanzt sich das Signal immer weiter bis zum Rand des Biofilms fort und \u00e4u\u00dfert sich in einem Wachstumsstopp der \u00e4u\u00dferen Zellen.<\/p>\n\n\n\n
\u00bbWir haben da einen Prozess, der dem \u00adWeiterleiten von elektrischen Signalen etwa bei Nervenzellen \u00e4hnelt, nur dass er viel langsamer abl\u00e4uft\u00ab, ordnet H\u00e4nelt ein. Die Kommunika\u00adtionsfunktion k\u00f6nne der Grund daf\u00fcr sein, dass es bestimmte Kaliumkan\u00e4le bei Bakterien \u00fcberhaupt gebe. H\u00e4nelt: \u00bbDas ist mein gro\u00dfes Ziel, dass wir einerseits auf Ebene der Molek\u00fcle beschreiben k\u00f6nnen, wie diese Kommunikation funktioniert, und dass wir das verbinden mit der zellul\u00e4ren Ebene, also wie die Zelle als Ganzes reagiert.\u00ab<\/p>\n\n\n\n
![\"\"](\"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2024\/02\/DSC_5821_web-333x500.jpg\")
Der Digitale Zwilling<\/h4>\n\n\n\n
H\u00e4nelt ist auch bei der interdisziplin\u00e4ren Exzellenz\u00adcluster-Initiative SCALE dabei. Dort sollen alle gesammelten und gemessenen Daten \u00fcber verschiedenste dreidimensionale Strukturen von Molek\u00fclen und deren Funktionen in das Modell eines Digitalen Zwillings einflie\u00dfen. Der fungiert entsprechend als gro\u00dfe Datenbank, in der Forschungsdaten aufbewahrt und sortiert werden k\u00f6nnen. Dar\u00fcber hinaus werden die Daten miteinander verkn\u00fcpft, um zellul\u00e4re Funktionen und Reaktionen simulieren zu k\u00f6nnen. \u00bbMit dem Digitalen Zwilling m\u00f6chten wir uns auch die r\u00e4umliche Verteilung etwa von Proteinen in einer Zelle zu einem bestimmen Zeitpunkt ansehen\u00ab, erl\u00e4utert H\u00e4nelt. \u00bbWie kommen Proteine zu dem Ort, an dem sie gebraucht werden? Wie finden sich zwei Proteine, die miteinander interagieren? Wie m\u00fcssen Molek\u00fcle zusammenspielen, damit sich die innerzellul\u00e4ren Strukturen und Formen herausbilden k\u00f6nnen?\u00ab Der Digitale Zwilling soll dazu Hypothesen liefern, die wiederum in Experimenten \u00fcberpr\u00fcft werden k\u00f6nnen. Auch Fehlfunktionen und Krankheiten, die zum Beispiel durch mutierte Proteine ausgel\u00f6st werden, soll der Digitale Zwilling simulieren k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n
Auch f\u00fcr das Verst\u00e4ndnis des Kaliumtransports bei Bakterien baut die Biochemikerin auf Unterst\u00fctzung durch den Digitalen Zwilling. \u00bbWir haben uns bisher nur einzelne Proteine angeschaut und wollen nun untersuchen, wie die gesamte Bakterienh\u00fclle auf osmotischen Stress reagiert. Was passiert zum Beispiel in den ersten Millisekunden nach einem Salzschock, wenn Wasser ausstr\u00f6mt und noch nicht durch aufgenommene Kaliumionen zur\u00fcck\u00adgehalten wird?\u00ab H\u00e4nelt hofft, dass ihre Zellmembran-Forschung vielleicht irgendwann einmal Angriffspunkte f\u00fcr neue Wirkstoffe gegen pathogene Bakterien aufzeigt, wenn die \u00adKaliumtransportmechanismen soweit durchschaubar sind, dass sie sich gezielt ver\u00e4ndern lassen.<\/p>\n\n\n\n
![\"\"](\"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/wp-content\/uploads\/2024\/02\/Haenelt-Uwe-DEttmar_web.jpg\")
<\/figure>\n\n\n\n