Bild Maximilian Zinke
Bakterien nehmen ihre Nährstoffe aus ihrer Umgebung und ihrem Wirt auf. Die Doppelschichtstruktur (äußere und innere Membran) der sogenannten Gram-negativen Bakterien stellt eine Barriere gegen das Eindringen von Molekülen dar, sei es lebenswichtige Nährstoffe oder Antibiotika. Um diese Barriere zu überwinden, haben Bakterien spezialisierte Transportsysteme entwickelt, wie das Ton-System, das den Import von lebenswichtigen Nährstoffen wie Eisen, Nickel, Vitamin B12 und bestimmten Zuckern ermöglicht.
Molekulare Motoren, die wie Mühlen wirken
Das Ton-System besteht aus einem spezifischen Transporter an der Oberfläche der Bakterien und einem molekularen Motor in der inneren Membran. Sobald der Nährstoff vom Transporter erkannt und gebunden ist, erfordert sein Eintritt die Öffnung eines Kanals durch diesen. Ein Prozess, der seine Energiequelle aus molekularen Motoren bezieht, die wie Mühlen wirken. Diese Mühlen wandeln chemische Energie (aus dem Protonengradienten) in mechanische Energie um, und ermöglichen so den Eintritt des Nährstoffs. Darüber hinaus greifen andere Mühlen mit derselben Struktur und Organisation in andere mechanische Prozesse an der Oberfläche von Bakterien ein, wie Motilität und Aufrechterhaltung der Integrität der Hülle.
Trotz der entscheidenden Rolle des Ton-Systems für das Überleben doppelmembraniger Bakterien sowie seines Potenzials als antimikrobielles Ziel, bleiben wichtige Aspekte seines Mechanismus hauptsächlich wegen eines Mangels an strukturellen Daten schlecht verstanden. Diese Lücke ist nicht nur auf die komplexe Architektur des Systems zurückzuführen, das die bakterielle Hülle durchquert, sondern auch auf die Dynamik der Elemente und ihrer Interaktionen.
Die Kernspinresonanz, ein wesentliches Instrument zum Verständnis bestimmter biologischer Mechanismen
Kürzlich hat die Kryo-Elektronenmikroskopie es teilweise ermöglicht, die Struktur mehrerer Ton-molekularer Motoren zu bestimmen. Einige Teile dieser Strukturen bleiben jedoch unbekannt, insbesondere das zentrale Bereich, essenziell für die Energieverteilung bis zum Nährstofftransporter an der Oberfläche der Bakterien durch einen bis dahin unerklärten Mechanismus.
In dieser Studie, die im Journal Nature Communications erschien, haben die Wissenschaftler die atomare Struktur dieses Bereichs mittels der Technik der Kernspinresonanz (NMR) bestimmt. Sie entdeckten so die Existenz dieses Bereichs in zwei Zuständen, geschlossen oder geöffnet, auf einer Zeitskala von der Mikrosekunde bis zur Millisekunde. Die NMR ist eine fortschrittliche spektroskopische Technik, die auf den magnetischen Eigenschaften der Atomkerne basiert, die einem sehr starken Magnetfeld (hier mehr als 400.000-mal das Erdmagnetfeld) ausgesetzt sind. Ihr Beitrag liegt in ihrer einzigartigen Fähigkeit, strukturelle und dynamische Informationen auf atomarer Ebene unter physiologischen Bedingungen zu liefern. Ihre Kombination mit anderen strukturbiologischen Technologien wie der Kryo-Elektronenmikroskopie und der Röntgenkristallographie ist unerlässlich für das Verständnis dynamischer und komplexer Maschinerien wie das Ton-System.
In dieser Animation, die die Hülle eines Bakteriums zeigt, können wir die Nährstoffe (gold/braun) außerhalb der bakteriellen Membran und den Membranrezeptor (grün) beobachten, der als Eingang in die Membran dient. Das Schlüsselprotein (rosa), das Teil des Motors oder molekularen Mühlwerks ist, liefert die Energie, um diese Nährstoffe einzubringen. Das türkisfarbene Protein ist das Bindeglied zwischen dem molekularen Motor und dem Rezeptor. Das starre Rühr-Element (weiß) der Zellwand, zwischen den zwei Membranen, spielt ebenfalls eine wichtige katalytische Rolle.
Ein Mechanismus, der universell für die Entwicklung neuer antibiotischer Strategien zu sein scheint
Mit dieser neuen Technologie haben die Wissenschaftler gezeigt, dass nur der offene Zustand aktiv ist und mit anderen Komponenten des Systems interagieren kann, die am Einbringen des Nährstoffs beteiligt sind. Weitere Experimente haben gezeigt, dass der Übergang zwischen den beiden Zuständen unerlässlich für den Import von Nährstoffen und das Überleben der Bakterien ist. Darüber hinaus zeigt die Studie erstmals die katalytische Rolle des starren Geflechts der bakteriellen Wand, die den Energieübertrag effizient macht.
Der in dieser Studie entdeckte Mechanismus scheint universell zu sein, wie seine Demonstration in zwei verschiedenen Ton-Systemen zeigt: einem für einen spezifischen Eisentransporter und das andere allgemeiner und fähig, mit verschiedenen Nährstofftransportern zu interagieren. Darüber hinaus sind die Proteinbereiche, die an dem Übergang zwischen den beiden Zuständen beteiligt sind, bei Bakterien hoch konserviert, was auf einen allgemeinen Mechanismus der bakteriellen molekularen Mühlen hinweist. Die Gesamtheit der in dieser Studie vorgestellten Ergebnisse bietet ein neues Verständnis der energetischen Mechanismen der molekularen Mühlen und des Energietransfers zur Bakterienoberfläche. Diese Entdeckungen liefern eine solide Basis für die Entwicklung neuer antibiotischer Strategien.
Referenz:
Zinke, M., Lejeune, M., Mechaly, A. et al.
Ton motor conformational switch and peptidoglycan role in bacterial nutrient uptake.
Nat Commun - DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-44606-z