Molekularer Virulenzmechanismus von Pseudomonas aeruginosa entdeckt

Strukturbiologische Erkenntnisse von CSSB-Forschende zeigen, wie der Erreger Membranen der Wirtszellen aufbricht und Immunreaktionen umgeht.

Pseudomonas aeruginosa ist ein stäbchenförmiges, gramnegatives Bakterium, das verschiedene Körperregionen befallen kann, darunter die Lunge, die Haut und die Blutbahn. Es ist weltweit für etwa 7 Prozent der nosokomialen Infektionen verantwortlich und steht jährlich mit rund 559.000 Todesfällen in Verbindung.

Ein Team aus der Gruppe von Prof. Michael Kolbe am Centre for Structural System Biology (CSSB) hat gemeinsam mit Kooperationspartnern vom Forschungszentrum Jülich, dem EMBL Hamburg, DESY und BIOTECH Thailand neue Virulenzmechanismen der Phospholipase C von P. aeruginosa aufgedeckt. Ihre Ergebnisse werfen ein neues Licht darauf, wie dieser Erreger die Abwehrmechanismen des Wirts umgeht und schwere Erkrankungen verursacht.

Bakterielle Phospholipasen (PLCs) sind Enzyme, die Lipide in Zellmembranen abbauen und daher wesentliche Virulenzfaktoren für eine effiziente Infektion von Wirtszellen darstellen. Auf der Grundlage einer am HZI durchgeführten Untersuchung von klinischen Isolaten identifizierte Kolbes Forschungsgruppe "Strukturelle Infektionsbiologie" PLC H und PLC N als relevante Virulenzfaktoren bei P. aeruginosa. "Obwohl bereits bekannt war, dass PLC H und PLC N eine bedeutende Rolle bei der Infektion spielen, hatten wir nur begrenzte Einblicke, wie diese Enzyme tatsächlich funktionieren oder wie ihre Strukturen aussehen", erklärt Michael Kolbe.

Um die molekularen Mechanismen von PLC H und N aufzuklären, setzten die Forschenden verschiedene Methoden der Strukturbiologie ein, um die biophysikalischen und strukturellen Eigenschaften der Enzyme zu untersuchen. Insbesondere bestimmte das Team die Struktur von PLC H mittels Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) an der Multi-User-Anlage des CSSB. Die Kryo-EM - eine Technik, bei der mittels hochenergetischer Elektronenstrahlen hochauflösende Bilder von schockgefrorenen Proben aufgenommen werden - zeigte, dass PLC H drei unterschiedliche molekulare Formen aufweist.

Um zu untersuchen, wie PLC N an verschiedene Proteine bindet, führten die Forschenden Röntgenkristallographie-Experimente an der P11-Beamline bei PETRA III, der Synchrotronstrahlungsanlage von DESY, durch. "Die kombinierten Kryo-EM- und Röntgenkristallographie-Analysen zeigten, dass beide Enzyme zwei Domänen mit überraschend ähnlichen Strukturen aufweisen", erklärt Jörg Labahn, der korrespondierende Autor der Studie und ehemaliger Gruppenleiter am CSSB.

PLC H ist die am häufigsten vorkommende PLC in P. aeruginosa und tritt meist zusammen mit seinem Chaperon R2 auf. Bemerkenswerterweise zeigte sich, dass der PLC-H/R2-Komplex trotz struktureller Ähnlichkeiten eine deutlich höhere Zytotoxizität, d.h. eine größere Fähigkeit, einzelne Zellen abzutöten, aufweist als PLC-N. Um dieses Phänomen weiter zu untersuchen, setzten die Forscher die Rasterkraftmikroskopie (AFM) ein, ein hochauflösendes Bildgebungsverfahren, das Probenoberflächen mit einer atomar scharfen Sonde "abtastet".

Mithilfe des im Barisch/Gutsmann-Labor am CSSB verfügbaren AFM-Systems führten sie zeitaufgelöste Experimente durch, die aufzeigten, wie PLC-H die Membranen der Wirtszellen schädigt, indem es große Poren in Lipid-Doppelschichten bildet. "Bemerkenswerterweise haben wir bereits innerhalb von nur sieben Minuten eine Porenbildung in Lipid-Doppelschichten beobachtet", bemerkt Udom Sae-Ueng, ein AFM-Spezialist, der von BIOTEC, NSTDA, Thailand, zu dem Projekt stieß. Sae-Uengs Beteiligung geht auf eine Zusammenarbeit zurück, die nach dem Besuch Ihrer Königlichen Hoheit Prinzessin Maha Chakri Sirindhorn von Thailand auf dem DESY-Campus und am CSSB im Jahr 2019 ins Leben gerufen wurde.

"Die Untersuchung der Phospholipasen von Pseudomonas aeruginosa mithilfe komplementärer strukturbiologischer Techniken wie Röntgenkristallographie, Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS), Kryo-EM und AFM ist nur am CSSB möglich", erklärt Kolbe. "Dank der hochmodernen hauseigenen Einrichtungen und der Nähe zur DESY-Lichtquelle PETRA III hat uns dieses hochmoderne Forschungsumfeld ermöglicht, wichtige molekulare Virulenzmechanismen aufzudecken. Diese Erkenntnisse treiben nicht nur das Wirkstoffscreening voran, sondern bergen auch Potenzial für die Entwicklung innovativer Therapien."

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Quelle: CSSB Centre for Structural Systems Biology am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY)