Wie krankheitsverursachende Mikroben ihre winzigen Spritzen beladen, um einen Angriff vorzubereiten.

Schlucken Sie den falschen Mikroorganismus und Sie könnten im Krankenhaus landen, mit einer oder zwei Nadeln in Ihrem Arm - und genügend winzigen bakteriellen Nadeln, die Sie von innen stechen. Das liegt daran, dass viele Bakterien, die uns krank machen, mikroskopische Strukturen ähnlich einer Spritze verwenden, um unsere Zellen mit Proteinen zu injizieren, die von innen heraus Schaden anrichten. Forscher haben nun gezeigt, wie diese Mikroorganismen ihre nanoskaligen Nadeln mit Proteinen beladen.

Durch die Verfolgung einzelner Proteine, während sie in lebenden Bakterien herumzappelten, fanden die Forscher heraus, dass die Mikroorganismen ein bussähnliches System verwenden, um ihre Spritzen zu beladen: Shuttle-Proteine bewegen sich zufällig innerhalb der Bakterien, nehmen Ladungen auf, die zur Injektion bestimmt sind, und transportieren sie zu den Spritzen. Dies berichten Wissenschaftler am 3. Januar in Nature Microbiology. Das Wissen darüber, wie diese bakteriellen Nadeln funktionieren, könnte den Wissenschaftlern helfen, sie zu stören - oder sie für medizinische Anwendungen zu nutzen, zum Beispiel den Einsatz bakterieller Nadeln zur gezielten Injektion von Krebszellen mit Medikamenten, während gesundes Gewebe unversehrt bleibt.

Das Weitertransportieren von Proteinen zur Spritze ist "ein wirklich neuartiger molekularer Mechanismus, der zuvor nicht bekannt war", sagt der Mikrobiologe Andreas Diepold vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg, Deutschland.

Unter dem Mikroskop sehen die spritzenähnlichen Strukturen, genannt Typ-III-Sekretionssysteme, wie hohle Nadeln aus, die gerade breit genug sind, damit ein einziges ungefaltetes Protein hindurchgleiten kann, erklärt Diepold. Die gesamte Oberfläche eines Mikroorganismus könnte mit solchen Nadeln bedeckt sein, was dem Bakterium das Aussehen eines bedrohlichen kleinen Nadelkissens verleiht. Die Proteinstruktur dieser nanoskaligen Nadeln ist den Wissenschaftlern gut bekannt. Aber "wir wissen nicht die grundlegende Frage, wie sie das, was sie injizieren, rekrutieren", sagt er.

Frühere Studien deuteten darauf hin, dass ein Ring aus Proteinen an der Basis des Sekretionssystems, wo es sich an der Zellmembran des Bakteriums befindet, etwas Ähnliches wie eine Sortierplattform sein könnte, die Zielproteine ergreift und in die Spritze lädt. Aber diese Arbeit wurde nicht an lebenden Zellen durchgeführt, sagt die mikrobielle Genetikerin Kelly Hughes von der University of Utah in Salt Lake City, die nicht an der neuen Studie beteiligt war.

Andere Untersuchungen an lebenden Zellen, einschließlich kürzlicher Arbeiten von Diepold und seinen Kollegen, deuteten darauf hin, dass die Komponenten der Sortierplattform nicht an der Basis der Spritzen bleiben. Stattdessen könnten sie sich durch das gelartige Gewirr aus Flüssigkeiten, Proteinen und anderen biologischen Bestandteilen, das von der Zellmembran eines Bakteriums umschlossen ist, bewegen und dabei Zielproteine aufnehmen und abgeben - ähnlich wie Shuttle-Busse.

Die neue Studie hat die Shuttle-Bus-Idee mit Fluoreszenzmikroskopie getestet, um die Bewegung einzelner Proteine der Sortierplattform in Yersinia enterocolitica, einem Darmkeim, der in rohem Schweinefleisch lauert, zu verfolgen. Karten der Proteinwege zeigen, dass sie zufällige, zickzackförmige Pfade durch die Zellen wandern. Experimente mit mutierten Y. enterocolitica, die keine injizierbaren Proteine haben, zeigten, dass die Shuttle-Bus-Proteine in den Mutanten schneller bewegt werden - ohne injizierbare Ziele, an die sie sich binden können, werden die Shuttle-Bus-Proteine nicht durch Ladungen belastet und können sich schneller durch die Zellen diffundieren. Dies zeigte, dass die Proteine der Sortierplattform nicht nur umherwandern, sondern auch unterwegs Passagiere aufnehmen.

"Was mir an diesem Artikel gefallen hat, war, dass alles in vivo, in lebenden Zellen, ablief", sagt Hughes. "Man bekommt diese wunderschönen Bilder. Und wie man weiß, ist ein Bild tausend Worte wert."

Die Aufklärung weiterer Rätsel rund um diese mikroskaligen Nadeln wird es den Wissenschaftlern erleichtern, in diese Maschinen einzugreifen oder an ihnen herumzuschrauben. Dieser Typ von Sekretionssystem, einer von mehreren verschiedenen Arten von Nadeln, die Bakterien zur Verfügung stehen, ist in verschiedenen Arten von Bakterien weit verbreitet, sagt Diepold, daher sind sie gute Ziele für neue Arten von antibakteriellen Medikamenten (SN: 3/30/22).

Sie sind auch vielversprechende Werkzeuge in der Medizin und Biotechnologie, sagt Hughes. Aber obwohl sie wie medizinische Spritzen aussehen, funktionieren bakterielle Spritzen anders - und die Wissenschaftler wissen immer noch nicht genau, wie Bakterien Proteine durch ihre Nadeln befördern. Es ist auch unklar, wie die Proteine, die die Nadeln beladen, ihre Ziele erkennen. "Wir wollen das Rätsel lösen, wie diese Systeme funktionieren", sagt Diepold. "Wir wollen verstehen, welche Lösungen die Evolution gefunden hat, um Bakterien zu ermöglichen, uns zu infizieren."