Weit verbreiteter Krankheitserreger: Wie sich Staphylokokken im Körper festsetzen
Deutsche Forscher haben den physikalischen Mechanismus entschlüsselt, mit dem sich ein weit verbreiteter Krankheitserreger an sein Zielmolekül im menschlichen Körper bindet. Die neuen Erkenntnisse seien entscheidend für die Bekämpfung solcher Bakterien.
Gesetze der Physik
Bakterien haben ausgeklügelte Strategien entwickelt, um sich in ihren Wirten festzusetzen und zu vermehren. Welche Rolle dabei auch die Gesetze der Physik spielen, zeigt eine Studie, die nun im Fachmagazin „Science“ veröffentlicht wurde. Das Forscherteam hat am Beispiel der Staphylokokken untersucht, mit welch außergewöhnlicher mechanischer Beharrlichkeit sich Bakterien mithilfe von Proteinen an den Zielmolekülen ihres Wirtes binden. Den Wissenschaftlern ist es gelungen, den physikalischen Mechanismus zu entschlüsseln, mit dem sich der Erreger an sein Zielmolekül heftet. Zudem stellen sie den Vorgang in bislang unerreichter Detailgenauigkeit dar.
Staphylokokken sind Ursache für viele Infektionserkrankungen
„Staphylokokken sind die Ursache für viele Infektionserkrankungen bei Mensch und Tier. Sie können sowohl lebensmittelbedingte Vergiftungen als auch zu Infektionskrankheiten führen“, erklärt das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) auf seiner Webseite.
„Sie rufen häufig eitrige Wundinfektionen und andere eitrige Infektionen beim Menschen“ hervor. So sind die Bakterien beispielsweise oft für Entzündungen in der Nase verantwortlich.
Staphylokokken können aber auch zum sogenannten Toxischen Schocksyndrom führen.
Sorge bereiten Gesundheitsexperten vor allem die multiresistenten Stämme, wie der Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA), die oft gegen Antibiotika resistent sind.
Einblicke die zuvor nicht möglich waren
Im Rahmen der aktuellen Studie haben Lukas Milles und Professor Hermann Gaub von der Fakultät der Physik der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München in Zusammenarbeit mit Forschern der University of Illinois (USA) die physikalischen Kräfte zwischen einem Adhäsionsprotein eines Erregers und seinem menschlichen Zielmolekül am einzelnen Molekül in vitro mittels Raster-Kraft-Mikroskopie gemessen.
Zudem haben sie die Wechselwirkung aller beteiligter Atome an einem besonders leistungsstarken Supercomputer berechnet, heißt es in einer Mitteilung.
„Dieser Paradigmenwechsel eröffnet Einblicke, die zuvor gar nicht möglich waren“, sagt Gaub. So sind am Supercomputer Blue Waters in Illinois, einem der weltweit stärksten Rechner mit 900.000 Prozessoren parallele Molekulardynamik-Simulationen gelaufen, um das komplexe Zusammenspiel zu entschlüsseln.
Die Kraft, mit der sich der Erreger an sein Zielmolekül bindet, hat die Forscher überrascht: „Die mechanische Bindungsstärke eines einzelnen Rezeptor-Ligand-Komplexes erreichte eine Kraft von über zwei Nanonewton. Das ist eine außergewöhnliche Stabilität vergleichbar mit der Stärke kovalenter Bindungen zwischen Atomen, den stärksten molekularen Kräften, die wir überhaupt kennen“, erklärt Gaub.
Bakterium nutzt einen ungewöhnlichen Mechanismus
Die Studie zeigt, dass das Adhäsionsprotein des Bakteriums dank seiner Geometrie das Zielmolekül in ein Wasserstoffbrückennetzwerk einbettet, das eher vom Peptidrückgrat als von dessen Seitenketten dominiert wird.
Unter der Kraft unzähliger kleiner lokaler Wechselwirkungen versteifen sich diese Bindungen in eine kooperative Schergeometrie, wie das zugrundeliegende physikalische Prinzip heißt.
„Diese Geometrie kann extreme Kräfte aushalten, da alle Bindungen parallel gebrochen werden müssten, um das Ziel zu trennen“, so Milles.
Eine vereinfachte Analogie sind zwei Klettbandstreifen, die schwierig zu trennen sind, wenn sie von entgegengesetzten Enden gezogen werden.
„Das Bakterium nutzt einen ungewöhnlichen Mechanismus, der aber sehr raffiniert ist, und ihm entscheidende Vorteile verschafft“, so Gaub.
Da der Mechanismus auf das Peptidrückgrat konzentriert ist, die für jedes Protein ähnlich ist, kann die hohe Stabilität für ein breites Spektrum von Zielpeptiden erreicht werden.
Dadurch ist die extreme physikalische Stärke des Systems weitgehend unabhängig von der Sequenz und den biochemischen Eigenschaften des Ziels.
Grundlagen für die Entwicklung neuer Therapien
„Krankmachende Bakterien haften an den Zielmolekülen ihrer Wirten mit außergewöhnlicher mechanischer Beharrlichkeit“, erläutert Gaub.
„Das Verständnis der physikalischen Mechanismen, die dieser hartnäckigen Adhäsion auf molekularer Ebene zugrunde liegen, ist entscheidend für die Bekämpfung solcher Eindringlinge“, so der Experte.
Damit lege die Studie Grundlagen für die Entwicklung neuartiger Therapien bei Infektionen mit Staphylokokken. (ad)
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