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Wichtige Erkenntnisse im Kampf gegen Antibiotika-Inhibitoren

Bakterien finden immer wieder neue Wege, um sich gegen schädliche Substanzen wie Antibiotika zu wehren und deren Wirkung zu hemmen. Viele von ihnen verfügen über Pumpsysteme, mit denen das Medikament aus der Zelle hinaus befördert wird. Prof. Kay Diederichs beschäftigt sich an der Universität Konstanz unter anderem damit, diese Mechanismen zu entschlüsseln, um wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung spezifischer Inhibitoren der Pumpen zu liefern.

Prof. Dr. Kay Diederichs © K. Diederichs

Schon drei Jahre nach Beginn der Massenproduktion des 1928 entdeckten Antibiotikums Penicillin wurden erste Penicillin-resistente Bakterien gefunden. Während einige der Zielproteine eines Bakteriums, wie zum Beipiel das Enzym DNA-Gyrase oder Teile der Ribosomen mutieren, damit ein Antibiotikum nicht mehr binden kann, erweisen sich manche natürlich vorhandenen Pumpsysteme auch als guter Schutz des Bakteriums vor Antibiotika. Solche Antibiotikum-Killer besitzt ebenfalls das Bakterium E.coli, welches unter anderem die im Darm sich befindenden Gallensalze aus dem Darm transportiert. Gemeinsam mit Prof. Klaas M. Pos, der inzwischen an der Universität Frankfurt tätig ist, hat Kay Diederichs feststellen können, dass das Bakterium ein Antibiotikum-Pumpsystem (AcrB) verwendet, welches einem Quetschpumpen-artigen Mechanismus gleichkommt. „Gewöhnlich ist die Produktion der Pumpen durch Regulationssysteme gedrosselt, aber unter dem Selektionsdruck bei Anwesenheit von Antibiotika werden die Pumpen hochreguliert, was den Bakterien eine massiv erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen eine Reihe von Antibiotika verleiht“, sagt Kay Diederichs.

Substratspezifität und Energetisierung im Fokus

Die AcrB-Pumpe des E.coli besteht aus drei Komponenten, einem Substrat/ Protonen-Antiporter in der inneren Membran, einem Kanal in der äußeren Membran sowie einem Membranfusionsprotein zwischen den beiden Trennschichten. „Alle drei müssen intakt sein, denn bei Fehlfunktion eines der drei Proteine wird die Resistenz drastisch gesenkt“, erklärt der Konstanzer Strukturbiologe. Charakteristisch für derartige Pumpsysteme ist ihre breite Substratspezifität, das heißt, dass eine Vielzahl strukturell sehr unterschiedlicher Moleküle von ein und demselben System transportiert werden kann. Dazu gehören neben den besagten Antibiotika auch Detergentien, Farbstoffe oder organische Lösungsmittel. „Unsere Forschung ist auf die strukturelle und biochemische Untersuchung des Transporters AcrB zentriert, der die zentrale Bedeutung bezüglich der Substratspezifität sowie der Energetisierung des Transportverlaufs hat“, erläutert Diederichs.

Peristaltischer Antibiotika-Transport durch AcrB

In den vergangenen Jahren ist es ihm und seinem Team gelungen, eine neue hochauflösende Röntgenstruktur des Transporters in einer asymmetrischen Konformation zu erkennen, auf deren Grundlage ein völlig neues Transportverfahren postuliert werden konnte, bei dem das Substrat durch die einzelnen mit tunnelartigen Stellen ausgestatteten Monomere gleitet. Das Antibiotikum-Molekül, das in die Bakterienzelle dringt, wird von der AcrB-Pumpe eingefangen und rutscht durch diesen Tunnel. „Dabei wird das Antibiotikum durch die Erzeugung von Engstellen aus der Pumpe hinaus gequetscht, ähnlich wie die Nahrung in der Speiseröhre“, erklärt Diederichs die Quetschpumpen-Hypothese. Nach Verlassen des Tunnels schließt das AcrB-Transportprotein erneut den Tunnel an der Außenseite und öffnet ihn wieder nach innen. Dies sorgt dafür, dass mehrere Antibiotika-Moleküle nacheinander aus der Zelle herausgepumpt werden.

Mit den gewonnenen Erkenntnissen aus der Entschlüsselung des Bauplans durch Kay Diederichs und Klaas M. Pos ist ein wichtiger Schritt geglückt, um beispielsweise die Umwandlung von elektrochemischer Energie in den Transport von Stoffen über die Membran aufzuklären. Erstaunlicherweise stellten die beiden Forscher zudem fest, dass das AcrB eine ähnliche „funktionelle Rotation“ zeigt wie ein anderes bedeutendes Membranprotein, die F1F0-ATPAse. Im Hinblick auf den medizinischen Nutzen helfen die Forschungsergebnisse des Konstanzer Wissenschaftlers dabei, das Antibiotikumpumpsystem vermehrt als Ursache von post-operativen Infektionen, die nicht mehr mit herkömmlichen Antibiotika bekämpft werden können, zu verstehen und Gegenmittel zu entwickeln.

Die Acrb-Pumpe fängt Antibiotikum-Moleküle ab und transportiert diese mithilfe eines Quetschpumpen-Mechanismus aus der Zelle. © Spektrum Akademischer Verlag GmbH

Zur Person:

Kay Diederichs promovierte im Jahre 1990 an der Fakultät für Chemie und Pharmazie der Universität Freiburg zum Thema „Röntgenstrukturanalyse von zwei Kristallformen der Adenylatkinase aus Rinderherzmitochondrien“. Seine Zeit als Wissenschaftler an der Cornell-University in Ithaka (New York) nutzer er, um die Struktur des Zytokins „Granulozyten-Kolonie stimulierender Faktor“ aufzuklären. 1999 habilitierte Kay Diederichs zur Strukturanalyse von Proteinen mit Schwerpunkt „Porinen der bakteriellen Außenmembran“ an der Universität Konstanz, und ist dort seit 2004 Professor für Molekulare Bioinformatik.

Analogien zum Cholesterin-Transporter

Parallelelen weist das AcrB auch mit humanen Proteinen wie dem Niemann-Pick-Protein C1 auf, dem beim Transport von Cholesterin über die endosomale/lysosomale Membran eine wichtige Bedeutung zukommt und dessen Defekt zu einer letalen Neurodegeneration im frühen Jugendalter führt. So können die Einsichten in die Energie-Kopplung zwischen elektrochemischen Gradienten und Stofftransport beim AcrB dem Verständnis des Transportmechanismus von Niemann-Pick C1 oder auch Patched-Transportern dienen. Nach den weiteren Zielen bei der seit 2001 laufenden Erforschung des AcrB gefragt, erklärt Diederichs, dass man bestrebt sei, herauszufinden, „welchen Weg die Protonen nehmen und insbesondere wie die Protonentranslokation in mechanische Kraft umgesetzt“ wird. „Diese verändert die Konformation der periplastischen Bindedomäne, so dass das Substrat gepumpt wird“, sagt er. Außerdem sei man an industriellen Partnern interessiert, die anhand der Struktur des AcrB Inhibitoren konstruieren könnten.

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