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Wie nehmen Bakterien Vitamine auf?

Die Frage konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Humboldt-Universität zu Berlin mit Kollegen von der Universität Osnabrück nun beantworten

Mikrobiologen der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) ist es in Zusammenarbeit mit Physikern der Universität Osnabrück gelungen, den Mechanismus der Vitaminaufnahme durch die Zellhülle von Bakterien zu entschlüsseln. Dabei konnten Sie nicht nur erklären, wie die Vitaminabgabe im Inneren der Zelle funktioniert, sondern eröffnen auch Perspektiven darauf, wie zukünftig Krankheitserreger attackiert werden könnten. Die Forschungsergebnisse sind nun in der aktuellen Onlineausgabe der Zeitschrift "Journal of Biological Chemistry" der American Society for Biochemistry and Molecular Biology erschienen.

"Energy-coupling factor (ECF) -Transporter" wurden erst vor wenigen Jahren als völlig neue Gruppe von biologischen Transportsystemen entdeckt. Sie versorgen viele pathogene Krankheitserreger mit den lebensnotwendigen Substanzen, die diese aufgrund eingeschränkter Stoffwechselleistungen selbst nicht herstellen können. Den Begriff "Energy-coupling factor (ECF)" prägten amerikanische Biologen bereits Ende der 1970er Jahre. Sie vermuteten, dass unterschiedliche Vitamintransporter von einer gemeinsam genutzten, damals noch unbekannten Komponente angetrieben werden. In den letzten fünf Jahren haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler durch die Aufklärung der Raumstruktur von ECF-Transportern eine wesentliche Basis für die jetzigen Untersuchungen gelegt. Dabei wurden viele Kopien eines ECF-Transporters aus der Zellhülle von Bakterien isoliert und mit Hilfe eines menschlichen Apolipoproteins in kleine Fettscheibchen verpackt, die als Nanodisks bezeichnet werden. "Mit den Nanodisks hatten wir das Handwerkszeug, um einen für das Vitamin Biotin spezifischen ECF-Transporter über einen längeren Zeitraum ohne Aktivitätsverlust in einer natürlichen Umgebung analysieren zu können", erläutert Prof. Erwin Schneider vom Institut für Biologie der HU.

Der Vitamintransport verläuft in mehreren Teilschritten: Im ersten Schritt wird das universelle Energiespeichermolekül Adenosintriphosphat (ATP) an den Transporter gebunden. Durch eine folgende Drehbewegung des Proteins wird die Vitaminbindestelle von außen zugänglich. Nach Spaltung von ATP rotiert der Transporter zurück und das Vitamin wird im Zellinneren freigesetzt. "Die experimentell nachgewiesene Rotation des vitaminbindenden Membranproteins ist ein in der Biochemie äußerst ungewöhnlicher Mechanismus", sagt Prof. Thomas Eitinger, ebenfalls Wissenschaftler am Institut für Biologie und Initiator der Studie. Somit konnten die Biologen unter anderem nach Markierung mit Fluoreszenzfarbstoffen oder Anheftung paramagnetischer Sonden kleinste Bewegungsänderungen der Komponenten des Biotintransporters relativ zueinander und zur Umgebung detektieren. Unterstützt wurde das Team hierbei von dem Biophysiker Prof. Heinz-Jürgen Steinhoff von der Universität Osnabrück.

Vermutlich arbeiten alle ECF-Transporter nach einem grundsätzlich ähnlichen Funktionsprinzip. Die jetzt vorliegenden Kenntnisse über diesen Mechanismus sind eine Grundlage, um ECF-Transporter als mögliche Achillesferse in Krankheitserregern zu attackieren, zu denen beispielsweise Streptokokken, Staphylokokken, der Produzent des Botulinustoxins und der Tetanuserreger zählen.

Originalpublikation

Friedrich Finkenwirth, Michael Sippach, Heidi Landmesser, Franziska Kirsch, Anastasia Ogienko, Miriam Grunzel, Cornelia Kiesler, Heinz-Jürgen Steinhoff, Erwin Schneider, Thomas Eitinger: "ATP-Dependent Conformational Changes Trigger Substrate Capture and Release by an ECF-Type Biotin Transporter", https://dx.doi.org/10.1074/jbc.M115.654343

Kontakt

Prof. Dr. Thomas Eitinger
Humboldt-Universität zu Berlin
Institut für Biologie

Tel.: 030 2093-8103
thomas.eitinger@cms.hu-berlin.de

Prof. Dr. Erwin Schneider
Humboldt-Universität zu Berlin

Institut für Biologie

Tel.: 030 2093-8121
erwin.schneider@cms.hu-berlin.de

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