{"id":79607,"date":"2024-04-12T11:14:18","date_gmt":"2024-04-12T09:14:18","guid":{"rendered":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=79607"},"modified":"2024-04-12T11:14:19","modified_gmt":"2024-04-12T09:14:19","slug":"doppelbarriere-gegen-antibiotika","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/unireport\/doppelbarriere-gegen-antibiotika\/","title":{"rendered":"Doppelbarriere gegen Antibiotika"},"content":{"rendered":"

Zwei Forscher der Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt suchen Schw\u00e4chen im ausgefeilten Abwehrsystem von Bakterien. Das Ziel: neue Ans\u00e4tze bei der Bek\u00e4mpfung bakterieller Infektionen finden. Auch im Rahmen der Clusterinitiative SCALE werden die beiden daran arbeiten.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Transportproteine sind Membranproteine mit spezieller Aufgabe: Sie sorgen f\u00fcr den Stoffaustausch zwischen dem Zellinnern und dem extrazellul\u00e4ren Raum. Eine gro\u00dfe Familie von Transportern nennt sich ABC-Transporter, ABC steht f\u00fcr ATP-binding cassettes. Charakteristisch f\u00fcr sie ist, dass sie das Energiespeichermolek\u00fcl Adenosintriphosphat (ATP) aufspalten und so die Antriebskraft gewinnen, die f\u00fcr den aktiven Transport von Stoffen durch die Zellmembran n\u00f6tig ist. Damit geh\u00f6ren diese Pumpen zu den prim\u00e4r aktiven Transportern.<\/p>\n\n\n\n

Clemens Glaubitz vom Institut f\u00fcr Biophysikalische Chemie erforscht ABC-Proteine, die bei Bakterien den Stofftransport regeln. Und zwar bei Gram-negativen Bakterien, zu denen Escherichia coli, Klebsiella<\/em> oder Acinetobacter baumannii<\/em> geh\u00f6ren. Gram-negative Bakterien besitzen nicht nur eine Membran, die das Zellinnere umh\u00fcllt und sch\u00fctzt, die eigentliche Zellmembran also. Sondern noch eine zweite \u00e4u\u00dfere Membran, die von der inneren durch das Periplasma getrennt wird. Beide Membranen unterscheiden sich in ihrem Aufbau voneinander: W\u00e4hrend die innere aus einer symmetrischen Lipid-Doppelschicht besteht, ist die \u00e4u\u00dfere asymmetrisch und mit komplexen Verbindungen best\u00fcckt. Diese bestehen aus Fetts\u00e4uren und Lipopolysacchariden (LPS), also Zuckermolek\u00fclen. \u201eDie sind der wichtigste Baustein der \u00e4u\u00dferen Membran, weil sie dazu beitragen, die zellul\u00e4re Architektur der Bakterien aufrechtzuerhalten\u201c, erkl\u00e4rt Glaubitz.<\/p>\n\n\n\n

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SCALE \u2013 Subcellular Architecture of Life
<\/strong>Zellen bestehen aus Milliarden von Molek\u00fclen, die von Einzelmolek\u00fclen \u00fcber gro\u00dfe Molek\u00fclkomplexe bis hin zu Organellen organisiert sind. Zwar sind die Funktionen vieler einzelner Molek\u00fcle bekannt, doch ist noch vielfach unklar, wie die Architektur im Innern einer Zelle entsteht, funktioniert und wie die Teile interagieren. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von SCALE wollen die Selbstorganisationsprinzipien der Zelle aufdecken und eine r\u00e4umlich wie zeitlich hochaufgel\u00f6ste Simulation der Zelle erstellen. So wollen sie besser verstehen, wie Zellen wirklich funktionieren und wie ihre verschiedenen \u00bbMaschinen\u00ab zusammenarbeiten. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat am 2. Februar bekannt gegeben, dass SCALE auf Basis des Konzepts nun im August 2024 einen Vollantrag stellen darf, um sich auf eine F\u00f6rderung als Exzellenzcluster ab 2026 zu bewerben.
https:\/\/scale-frankfurt.org<\/a><\/p>\n\n\n\n

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Jedoch muss das LPS erstmal die \u00e4u\u00dfere Membran erreichen, sonst kann es seine stabilisierende Wirkung gar nicht entfalten. Genau diese f\u00fcrs Bakterium lebenswichtige Aufgabe \u00fcbernehmen ABC-Transporter: Sie bringen die Zuckermolek\u00fcle vom Zellinnern, dem Produktionsort, durch die Zellmembran und das Periplasma hindurch an ihren Bestimmungsort. Derzeit wird im Glaubitz Lab der ABC-Transporter MsbA und das an dieses Protein gekoppelte Transportsystem untersucht, das eine Art Br\u00fccke von der inneren zu \u00e4u\u00dferen Membran schl\u00e4gt \u2013 die Zuckermolek\u00fcle m\u00fcssen darauf nur noch in Richtung \u00e4u\u00dfere Membran str\u00f6men. Glaubitz will anhand des Darmbakteriums Escherichia coli<\/em> herausbekommen, wie der ganze Vorgang gesteuert wird.<\/p>\n\n\n\n

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Neue Angriffsziele f\u00fcr Antibiotika<\/h4>\n\n\n\n

Die experimentelle Methode dabei ist die Festk\u00f6rper-NMR-Spektroskopie. Nuclear Magnetic Resonance-Spektroskopie setzt \u00fcblicherweise voraus, dass die zu untersuchenden Proben l\u00f6slich sind. Die Technik l\u00e4sst sich aber auch auf nichtl\u00f6sliche Proben erweitern, dann spricht man von Festk\u00f6rper-NMR-Spektroskopie. Was im Glaubitz Lab entdeckt wurde: MsbA und mit ihm verwandte ABC-Transporter in Gram-negativen Bakterien passen den Transport der Zuckermolek\u00fcle vermutlich an sich \u00e4ndernde Umgebungsfaktoren an. Hei\u00dft konkret: Wenn es n\u00f6tig ist, kann das LPS-Transportsystem seine Effizienz steigern. Glaubitz plant, MsbA sp\u00e4ter als Modell-Protein f\u00fcr alle anderen derartigen Systeme bei anderen Gram-negativen Bakterien zu benutzen. Zum Beispiel beim Bakterium Acetinobacter baumannii.<\/em> Wohin die Grundlagenforschung f\u00fchren k\u00f6nnte? LPS-transportierenden Proteine wie MsbA k\u00f6nnten in Zukunft neue Targets bei der Behandlung bakterieller Infektionen sein, also Angriffsziele f\u00fcr Antibiotika. \u201eVielleicht gelingt es uns eines Tages, diejenigen Proteine zu hemmen, die in den Transport von LPS involviert sind.\u201c Dann erreichen diese nicht mehr die \u00e4u\u00dfere Membran \u2013 und der Stabilisator der Bakterienarchitektur f\u00e4llt weg.<\/p>\n\n\n\n

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Die Antibiotika-Efflux-Pumpe\nDie Antibiotika-Efflux-Pumpe, die Klaas Martinus Pos untersucht, bestimmt vermutlich auch den korrekten Zellh\u00fcllenaufbau von Bakterien. Die intakte Architektur der Zellh\u00fclle ist Voraussetzung daf\u00fcr, dass Bakterien gegen Antibiotika resistent sein k\u00f6nnen. Innerhalb von SCALE untersucht Pos daher zusammen mit anderen Arbeitsgruppen unterschiedliche bakterielle Zellh\u00fcllenarchitekturen. \u201eEine spannende Sache, da wir noch nicht viel dar\u00fcber wissen. Vielleicht \u00f6ffnen sich so auch neue Wege, um Antibiotika-resistente Bakterien in Zukunft zu bek\u00e4mpfen.\u201c Clemens Glaubitz untersucht im Rahmen von SCALE die Transportproteine, die bei Gram-negativen Bakterien helfen, die Doppelmembran aufrechtzuerhalten. Im Blick hat er dabei besonders Lipidvesikel, die von den Bakterien aus der \u00e4u\u00dferen Membran abgesondert werden und direkt mit deren Resistenz-und Stressantwortmechanismen zusammenzuh\u00e4ngen scheinen. \u201eZudem stellen wir f\u00fcr SCALE unsere Erfahrung im Bereich Festk\u00f6rper-NMR zu Verf\u00fcgung, da sich diese Methode f\u00fcr die Analyse von Proteinen und Lipiden in Membranen sehr gut eignet.\u201c \n<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Den Zuckerpolymertransport von innen nach au\u00dfen zu verhindern, w\u00e4re noch aus einem anderen Grund wichtig f\u00fcr die Bek\u00e4mpfung von Krankheitserregern. Denn das LPS stellt auch eine erste \u00e4u\u00dfere Barriere gegen Antibiotika dar. Der Grund: Die Zuckerpolymere sind hydrophil, also Wasser-liebend, Antibiotika dagegen hydrophob, Fett-liebend. Weswegen sie kaum durch die \u00e4u\u00dfere Membran hindurchkommen. Schaffen sie es aber doch, treffen sie weiter drinnen gleich auf eine zweite Verteidigungslinie. Diese erforscht Klaas Martinus Pos vom Institut f\u00fcr Biochemie. Er hat die RND-Transporter-Familie im wissenschaftlichen Blick. RND steht f\u00fcr resistance nodulation cell division. Diese Transporter sind in die innere Zellmembran der Bakterien eingebettet und geh\u00f6ren zu den sekund\u00e4r aktiven Transportern, da sie den elektrochemischen Gradienten von Ionen nutzen, um die f\u00fcr den aktiven Transport von Stoffen n\u00f6tige Energie umzuwandeln.<\/p>\n\n\n\n

Diese Pumpen sind so etwas wie T\u00fcrsteher. Sie verhindern, dass Antibiotika-Molek\u00fcle durch die innere Zellmembran ins Zytoplasma diffundieren. Vorher werden die Eindringlinge gepackt und wieder in die Umgebung ausgeschleust. Dabei wenden die ABC-Transporter den Antiport-Mechanismus an, erkl\u00e4rt Pos: \u201eSie transportieren die Ionen in die eine Richtung, also ins Zellinnere \u2013 und den toxischen Stoff in die entgegengesetzte Richtung, also nach drau\u00dfen.\u201c Escherichia coli <\/em>und Klebsiella pneumoniae<\/em> geh\u00f6ren zu den von Pos untersuchten Bakterien. Beide verlassen sich auf eine dreiteilige Efflux-Pumpe, die AcrAB-TolC genannt wird. Im Pos Lab wurde entdeckt, wie sie funktioniert. AcrB ist der eigentliche RND-Transporter und AcrA ein Adaptorprotein. Es befindet sich im Periplasma und verbindet den RND-Transporter mit der dritten Pumpen-Komponente, der Pore TolC in der \u00e4u\u00dferen Membran. Alle drei bilden einen flexibles langes Tunnelsystem, \u00fcber welches Antibiotika ausgeschleust werden. \u201eDiese dreiteilige Efflux-Pumpe ist enorm effizient. Sie erkennt fast alle bekannten Antibiotika und pumpt sie nach drau\u00dfen.\u201c Man spricht auch von einer multiplen Antibiotika-Efflux-Pumpe. An ihr allein liegt es, dass bestimmte Bakterien gegen eine Vielzahl Antibiotika resistent, also multiresistent, sind.<\/p>\n\n\n\n

Im Pos Lab konnte auch schon gekl\u00e4rt werden, wie der Antrieb der Efflux-Pumpe funktioniert. Sie bindet Protonen aus dem Periplasma und entl\u00e4sst sie ins Zytoplasma. \u201eDabei kommt es im Membranteil der Pumpe zu elektrostatischen Ver\u00e4nderungen, die daf\u00fcr sorgen, dass sich die Antibiotika-Molek\u00fcle im Tunnel-system ganz spezifisch in eine Richtung bewegen: nach au\u00dfen.\u201c Der flexible Tunnelmechanismus \u00e4hnelt der einer peristaltischen Pumpe, wie sie auch unsere Speiser\u00f6hre hat. Damit k\u00f6nnten wir Menschen selbst im Kopfstand feste Nahrung zu uns nehmen \u2013 sie landet trotz entgegengestellter Schwerkraft im Magen. Die Efflux-Pumpe der Bakterien nutzt diesen Mechanismus, um zu verhindern, dass die Antibiotika w\u00e4hrend des Abtransports in die Zelle zur\u00fcckrutschen.<\/p>\n\n\n\n

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Schnappsch\u00fcsse von der Efflux-Pumpe<\/h4>\n\n\n\n

Um herauszufinden, wo und wie Antibiotika eingefangen und ausgeschleust werden, braucht es hochaufgel\u00f6ste Strukturen, die im besten Fall einzelne Atome sichtbar machen. Im Pos Lab erstellt man mittels gez\u00fcchteter Kristalle Elektronendichtekarten und baut damit 3D-Strukturen der dreiteiligen Pumpen. Was auch mithilfe von Einzelpartikel-Kryo-Elektronenmikroskopie funktioniert. \u201eBeide Methoden liefern uns Schnappsch\u00fcsse, einzelne Bilder der Efflux-Pumpe bei der Arbeit. Diese k\u00f6nnen wir uns nacheinander anschauen. Das ist wie Daumenkino: Wir sehen f\u00f6rmlich, wie das Antibiotikum durch den Tunnel gepumpt wird.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Zusammen mit der Arbeitsgruppe von Prof. Achilleas Frangakis und dem Institut Pasteur in Lille gelang es, mittels Schnappsch\u00fcssen neuartige Inhibitoren zu entwickeln, Stoffe also, die die multiple Antibiotika-Efflux-Pumpe gezielt hemmen. \u201eDamit k\u00f6nnte es m\u00f6glich werden, bakterielle Infektionen mit schon vorhandenen Antibiotika, gegen die sich Bakterien resistent gezeigt haben, wieder effektiv zu bek\u00e4mpfen.\u201c Dass die Hemmstoffe wirken, wurde k\u00fcrzlich in einem Lungeninfektionsmodell an M\u00e4usen, die mit Klebsiella pneumoniae<\/em> infiziert waren, nachgewiesen. Zwei Forschende der Gruppen von Pos und Frangakis, Clara B\u00f6rnsen und Reinke M\u00fcller, gewannen f\u00fcr ihre Arbeit an diesen Hemmstoffen im Dezember 2023 den Unibator Innovationspreis der Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt. Das Konzept hie\u00df \u201eAntibiotika reloaded\u201c.<\/p>\n\n\n\n

Die Grundlagenforschung im Bereich der Resistenzmechanismen von Bakterien sind dringend n\u00f6tig, so Pos. \u201eZurzeit werden global pro Jahr 1,3 Millionen Menschen durch multiresistente Erreger get\u00f6tet. Falls wir heute nichts unternehmen, m\u00fcssen wir im Jahr 2050 mit j\u00e4hrlich zehn Millionen Sterbef\u00e4llen rechnen.\u201c Das w\u00e4ren mehr Tote durch multiresistente Erreger als zurzeit durch Krebserkrankungen<\/p>\n\n\n\n

Autor: Andreas Lorenz-Meyer<\/em><\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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Im Blick hat er dabei besonders Lipidvesikel, die von den Bakterien aus der \u00e4u\u00dferen Membran abgesondert werden und direkt mit deren Resistenz-und Stressantwortmechanismen zusammenzuh\u00e4ngen scheinen. \u201eZudem stellen wir f\u00fcr SCALE unsere Erfahrung im Bereich Festk\u00f6rper-NMR zu Verf\u00fcgung, da sich diese Methode f\u00fcr die Analyse von Proteinen und Lipiden in Membranen sehr gut eignet.\u201c\"},{\"@type\":\"BreadcrumbList\",\"@id\":\"https:\\\/\\\/aktuelles.uni-frankfurt.de\\\/unireport\\\/doppelbarriere-gegen-antibiotika\\\/#breadcrumb\",\"itemListElement\":[{\"@type\":\"ListItem\",\"position\":1,\"name\":\"Startseite\",\"item\":\"https:\\\/\\\/aktuelles.uni-frankfurt.de\\\/\"},{\"@type\":\"ListItem\",\"position\":2,\"name\":\"Doppelbarriere gegen Antibiotika\"}]},{\"@type\":\"WebSite\",\"@id\":\"https:\\\/\\\/aktuelles.uni-frankfurt.de\\\/#website\",\"url\":\"https:\\\/\\\/aktuelles.uni-frankfurt.de\\\/\",\"name\":\"Aktuelles aus der Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt\",\"description\":\"Aktuelles aus der Goethe-Universit\u00e4t | Neues aus Forschung, Lehre, Studium\",\"publisher\":{\"@id\":\"https:\\\/\\\/aktuelles.uni-frankfurt.de\\\/#organization\"},\"potentialAction\":[{\"@type\":\"SearchAction\",\"target\":{\"@type\":\"EntryPoint\",\"urlTemplate\":\"https:\\\/\\\/aktuelles.uni-frankfurt.de\\\/?s={search_term_string}\"},\"query-input\":{\"@type\":\"PropertyValueSpecification\",\"valueRequired\":true,\"valueName\":\"search_term_string\"}}],\"inLanguage\":\"en-GB\"},{\"@type\":\"Organization\",\"@id\":\"https:\\\/\\\/aktuelles.uni-frankfurt.de\\\/#organization\",\"name\":\"Goethe-Universit\u00e4t\",\"url\":\"https:\\\/\\\/aktuelles.uni-frankfurt.de\\\/\",\"logo\":{\"@type\":\"ImageObject\",\"inLanguage\":\"en-GB\",\"@id\":\"https:\\\/\\\/aktuelles.uni-frankfurt.de\\\/#\\\/schema\\\/logo\\\/image\\\/\",\"url\":\"https:\\\/\\\/aktuelles.uni-frankfurt.de\\\/wp-content\\\/uploads\\\/2022\\\/03\\\/800px-Goethe-Logo.png\",\"contentUrl\":\"https:\\\/\\\/aktuelles.uni-frankfurt.de\\\/wp-content\\\/uploads\\\/2022\\\/03\\\/800px-Goethe-Logo.png\",\"width\":800,\"height\":436,\"caption\":\"Goethe-Universit\u00e4t\"},\"image\":{\"@id\":\"https:\\\/\\\/aktuelles.uni-frankfurt.de\\\/#\\\/schema\\\/logo\\\/image\\\/\"}},{\"@type\":\"Person\",\"@id\":\"https:\\\/\\\/aktuelles.uni-frankfurt.de\\\/#\\\/schema\\\/person\\\/8e55ea338fb65d1ce87a91565d1f1739\",\"name\":\"-\",\"description\":\"Dieser Beitrag wurde von der Online-Redaktion ver\u00f6ffentlicht. 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Die intakte Architektur der Zellh\u00fclle ist Voraussetzung daf\u00fcr, dass Bakterien gegen Antibiotika resistent sein k\u00f6nnen. Innerhalb von SCALE untersucht Pos daher zusammen mit anderen Arbeitsgruppen unterschiedliche bakterielle Zellh\u00fcllenarchitekturen. \u201eEine spannende Sache, da wir noch nicht viel dar\u00fcber wissen. Vielleicht \u00f6ffnen sich so auch neue Wege, um Antibiotika-resistente Bakterien in Zukunft zu bek\u00e4mpfen.\u201c Clemens Glaubitz untersucht im Rahmen von SCALE die Transportproteine, die bei Gram-negativen Bakterien helfen, die Doppelmembran aufrechtzuerhalten. 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