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20.06.2017 11:50

Forschungsprojekt zu Mechanismen des Membranaufbaus in Bakterien gestartet

An der Universität Kassel ist ein Forschungsprojekt gestartet, das langfristig zur Bekämpfung multiresistenter Keime beitragen könnte. Das sind Bakterien, gegen die gängige Antibiotika keine Wirkung zeigen und die auch als „Superbugs“ bekannt sind. Ein Forschungsteam des Fachgebietes Biophysik der Universität Kassel untersucht dabei das Einbauprinzip von Proteinen in die Zellmembranen sogenannter gramnegativer Bakterien, zu denen auch gefährliche Erreger, wie verschiedene resistente Krankenhauskeime oder Erreger von Cholera oder Pest zählen.

Membranproteine sind für den Transport von Stoffen in bzw. aus Zellen notwendig. Zellen (bzw. Bakterien als Einzeller) sind ohne Stoffimport und -export nicht überlebensfähig. Das Wissen darüber, wie Membranproteine in die Zellwände eingebaut werden, kann daher den Grundstein für die Entwicklung neuer Antibiotikagruppen legen und damit helfen, die derzeitigen Antibiotikaresistenzen zu überwinden.

Zu den gramnegativen Bakterien gehören beispielsweise harmlose Darmbakterien, aber auch Erreger wie Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Enterococcen oder Clostridien. Sie können z.B. Lungenentzündungen oder Blutvergiftungen auslösen und haben in jüngster Zeit immer wieder Schlagzeilen als antibiotikaresistente Krankenhauskeime geliefert. Die äußeren Membranen der Zellwände dieser Bakterien und die Außenmembranen von Zellorganellen höherer Lebensformen haben eines gemeinsam: Sie enthalten bestimmte Proteine, sogenannte â-Barrel-Membranproteine. Dabei handelt es sich um membranständige Proteine, die in Zellen verschiedene Aufgaben übernehmen, z.B. den Transport notwendiger Nährstoffe in die Zellen bzw. Zellorganellen. Prof. Dr. Jörg H. Kleinschmidt, Leiter des Fachgebiets Biophysik an der Universität Kassel, erklärt: „Membranen verleihen Zellen und Zellorganellen nicht nur Struktur, sondern grenzen diese auch gegen die Umgebung ab. Damit die Zellen dennoch gezielt mit wichtigen Stoffen wie etwa Zucker oder Eisen versorgt werden können und Abfallprodukte von Stoffwechselvorgängen selektiv ausgeschieden werden können, gibt es Membranproteine. Diese übernehmen den Transport über die Membranen. Außerdem übermitteln sie Signale von einer Seite der Zellmembran auf die andere oder üben bestimmte Stoffwechselfunktionen aus.“

Das Team der Biophysik der Uni Kassel untersucht nun, wie â-Barrel- und andere Membranproteine in Membranen eingebaut werden, beispielsweise in die von gramnegativen Bakterien oder in die von Zellorganellen. Aus diesen Erkenntnissen ziehen die Wissenschaftler Rückschlüsse auf die Strukturbildung der â-Barrel-Membranproteine. Außerdem wollen sie den sogenannten â-Barrel Protein-Einbaumaschinerie-Komplex (engl. â-Barrel-Assembly-Machinery-Komplex, kurz BAM-Komplex), besser verstehen. Kleinschmidt: „Unser Ziel ist es, die Mechanismen des Membraneinbaus und der Strukturbildung in Membranproteinen zu klären. Solche Mechanismen sind eng mit Struktur und Eigenschaften bestimmter Proteine verbunden. Diesbezüglich gibt es Unterschiede in Bakterien und in Organellen der Zellen höherer Organismen, z.B. auch des Menschen. Dazu gewonnene Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung könnten später für die Entwicklung von Medikamenten nutzbar gemacht werden.“

Kleinschmidt arbeitet mit seinem Team an den Proteinen des BAM-Komplexes, der in Membranen den Einbau von â-Fass-Membranproteinen vermittelt und reguliert. Dieser Komplex ist in der Evolution konserviert und besteht aus dem essenziellen Protein BamA, das die Membran als integrales (Trans-) Membranprotein durchspannt, sowie, je nach Zelltyp, zusätzlich aus unterschiedlich vielen verschiedenen peripheren Membranproteinen. „Dabei untersuchen wir die Wechselwirkung der Proteine des BAM-Komplexes mit einzubauenden Außenmembranproteinen; und zwar vom Moment bevor der Einbau stattfindet, bis zum Moment nachdem der Einbau abgeschlossen ist“, erläutert der Biophysiker. Besonders achten die Forscher dabei auf die Struktur der Proteine. Kleinschmidt: „Die Proteine falten in eine typische 3-dimensionale Struktur, deren Durchmesser nur wenige Nanometer beträgt und ohne die Proteine ihre Funktion nicht ausüben können.“ Die Proteinfunktionen bestehen unter anderem im Stofftransport, etwa von wichtigen Nährstoffen oder Vitaminen. Genau an dieser Stelle setzen die Forscher an, indem sie fragen, wie es zur Strukturbildung kommt und worin die Rolle des BAM-Komplex bzw. der am Komplex jeweils beteiligten Proteine besteht. BAM-Komplexe aus verschiedenen Organismen sind unterschiedlich aufgebaut und die beteiligten Proteine unterscheiden sich in ihren Strukturen und Eigenschaften.

Das dreijährige Projekt ist im Februar 2017 gestartet und wird von der DFG mit rund 340.000 Euro gefördert.

Kontakt:
Prof. Dr. Jörg H. Kleinschmidt
Universität Kassel
Institut für Biologie
Fachgebiet Biophysik
Tel: +49 561 804-4041
Mail: jhk@uni-kassel.de