A new way out!

1. April 2019

Zellen nutzen Proteinsekretion, um Proteine in verschiedene Zellkompartimente zu transportieren. In Bakterien spielen Proteine, die in das extrazelluläre Milieu sekretiert werden, eine Schlüsselrolle bei einer Vielzahl wichtiger Prozesse wie Virulenz, Biofilmbildung, Adhäsion, Wechselwirkungen zwischen Bakterien in Mikrobiomen, Wirt-Mikroben-Interaktionen, Anpassung und Motilität. In einer aktuellen Veröffentlichung in Nature Communications beschreiben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie zusammen mit Wissenschaftlern der Universität Montpellier ein neuartiges System der Proteinsekretion in Bakterien. 

A new way out: Neuartiges System der Proteinsekretion in Bakterien

Die Proteinsekretion stellt eine enorme Herausforderung für Zellen dar, da die Proteine eine Membran durchqueren müssen. Umso größer ist die Herausforderung bei gramnegativen Bakterien Proteine in das extrazelluläre Milieu zu sekretieren, da die Proteine zwei Membranen kreuzen müssen. Wie sich herausstellt, wird diese Herausforderung auf zwei Arten gelöst: Entweder wird ein Protein in einem einstufigen Mechanismus direkt aus dem Zytoplasma oder in einem zweistufigen Mechanismus zunächst über die innere Membran ins Periplasma geschleust und dann über die äußere Membran sekretiert. 

Die Forschungsgruppe von Lotte Søgaard-Andersen am Max-Planck-Institut in Marburg erforscht, wie Bakterien mit Veränderungen in der Umwelt umgehen. Zu diesem Zweck untersuchen sie, wie myxobakterielle Zellen unter Hungerstress mit der Bildung von sporengefüllten Fruchtkörpern reagieren. Die Forschungsgruppe Søgaard-Andersen hatte zuvor die sekretierte Protease PopC als essentiell für die Fruchtbildung identifiziert. Es war jedoch nicht klar, wie das Protein aus den Zellen herauskommt.

Dr. Nuria Gómez-Santos im Labor von Lotte Søgaard-Andersen hat in ihrer Forschung genau diese Fragestellung untersucht. "Als wir begannen, dachten wir, dass eines der bekannten einstufigen Sekretionssysteme an der Sekretion von PopC beteiligt sein würde, aber wir erkannten schnell, dass dies nicht der Fall war und dass PopC in einem zweistufigen Prozess sekretiert wird", erklärt Dr. Gómez-Santos. Die Wissenschaftler fanden auch heraus, dass keines der bekannten Systeme zur Sekretion von Proteinen über die Außenmembran an der PopC-Sekretion beteiligt war. Dr. Gómez-Santos erklärt: "Fast wie Detektive mussten wir uns dann auf Kandidaten für das neuartige Sekretionssystem einlassen". Diese Suche führte zu dem Ergebnis, dass ein TonB-abhängiger Transporter namens Oar für die Sekretion der PopC-Protease vom Periplasma über die Außenmembran in das extrazelluläre Milieu unerlässlich ist. TonB-abhängige Transporter sind allgegenwärtige Außenmembranproteine in gramnegativen Bakterien. Einige dieser Transporter sind direkt am Import von Mikronährstoffen wie Eisen-, Nickel- und B12-Verbindungen, Makronährstoffen wie Kohlenhydraten und großen Bakteriozintoxinen beteiligt. Diese Importprozesse werden durch die Protonenantriebskraft über die Innenmembran über das sogenannte Ton-System in der Innenmembran angeregt. Basierend auf ihren Arbeiten sind die Wissenschaftler der Meinung, dass Oar in der äußeren Membran zusammen mit dem Ton-System in der inneren Membran PopC direkt über die äußere Membran absondern kann. 

TonB-abhängige Transporter gehören zu den am weitesten verbreiteten Außenmembranproteinen in gramnegativen Bakterien, wobei einige Arten mehr als 100 Paraloge dieser Proteinfamilie enthalten. Die Funktion der meisten dieser Transporter ist jedoch nicht bekannt. Basierend auf ihren jüngsten Erkenntnissen spekulieren die Wissenschaftler, dass einige dieser Proteine nicht nur am Import, sondern zusätzlich oder ausschließlich an der Proteinsekretion über die Außenmembran beteiligt sein könnten.

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