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Wie sich Mikroorganismen gegen freie Radikale schützen

01.08.2019

Mikroorganismen sind in den unterschiedlichsten Situationen sogenannten freien Radikalen ausgesetzt. Diese können wichtige Zellbausteine schädigen. Freie Radikale entstehen beispielsweise im zellulären Stoffwechsel oder durch Umwelteinflüsse. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Krankheiten, der Arbeit des menschlichen Immunsystems und der Wirkung von Antibiotika. Eine Forschungsgruppe der Charité – Universitätsmedizin Berlin hat jetzt unter Beteiligung der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU) einen bisher unbekannten Mechanismus entdeckt, mit dem sich Mikroorganismen vor freien Radikalen schützen können. Dieses Wissen könnte dazu beitragen, die Wirkung antimikrobieller Substanzen zu verbessern. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Nature* publiziert.

Mit dem Begriff „freie Sauerstoffradikale“ werden chemisch sehr reaktive Sauerstoffverbindungen bezeichnet, die eine Reihe von wichtigen Zellstrukturen wie Proteine, DNA und die Zellhülle schädigen können. Die zerstörerische Wirkung freier Radikale macht sich der menschliche Körper sogar zunutze: Einige Zellen seines Immunsystems bekämpfen eindringende Mikroorganismen, indem sie freie Radikale produzieren. Auch wenn mikrobielle Zellen mit Antibiotika in Kontakt kommen, entstehen durch die Stoffwechselaktivität reaktive Sauerstoffverbindungen. Um die hochreaktiven Moleküle abzufangen und unschädlich zu machen und so beispielsweise dem Angriff des Immunsystems zu entgehen, haben Mikroorganismen verschiedene Mechanismen entwickelt. Ein internationales Forschungsteam um Prof. Dr. Markus Ralser, Leiter des Instituts für Biochemie der Charité, konnte jetzt zeigen: Mikroorganismen verfolgen eine weitere, bisher unbekannte Abwehrstrategie, die verglichen mit den bereits belegten Mechanismen besonders effektiv sein könnte.

Bei ihren Untersuchungen konzentrierten sich die Forschenden zunächst auf die Bäckerhefe als Modellorganismus. Sie konnten beobachten, dass die Hefezellen Lysin, einen molekularen Baustein für die Produktion von zelleigenen Eiweißstoffen, aus der Umgebung aufnehmen und sehr stark anreichern – um ein 70- bis 100-Faches mehr als zum normalen Wachstum benötigt. Mittels mathematischer Modellierung und genetischen Analysen fanden sie dann heraus, wozu diese aktive „Lysin-Ernte“ dient: Die Zellen nutzen das Lysin, um ihren Stoffwechsel umzubauen. Als Konsequenz dieser Umstellung wird in außergewöhnlich großen Mengen das sogenannte Glutathion hergestellt – eines der wichtigsten Moleküle in lebenden Organismen, das Radikale abfängt. Tatsächlich zeigte sich, dass Hefezellen nach der Lysin-Ernte deutlich resistenter gegenüber freien Radikalen waren. Mengen an freien Radikalen, die die Zellen normalerweise getötet hätten, konnten jetzt abgebaut werden.

Dies ist auch von großem Interesse für Doktoratsstudent David Peña von der Universität für Bodenkultur Wien, da Sauerstoffradikale für die Produktion von Eiweißmolekülen in der Biotechnologie limitierend sein können. Im Rahmen des International PhD Programms BioTop bestätigte er die Ergebnisse in einem biotechnologisch-relevanten Hefestamm. Wie die Wissenschafter*Innen nachwiesen, nutzen jedoch nicht nur verschiedene Arten von Hefen, sondern auch Bakterien diesen Resistenzmechanismus.

„Unsere Studie zeigt also, dass Mikroorganismen Nährstoffe aus der Umgebung nicht nur für ihr Wachstum aufnehmen, sondern auch, um sich vorsorglich für einen möglichen Angriff freier Radikale zu rüsten“, erklärt Prof. Ralser. „Dieses Wissen könnten wir in Zukunft nutzen: Wenn es uns gelingt, den Resistenzmechanismus zu unterbrechen, ließe sich die Wirkung von antimikrobiellen Substanzen möglicherweise erhöhen.“ An diesem Ziel wird die Forschungsgruppe nun weiterarbeiten. „Außerdem werden wir nach weiteren unbekannten Resistenzmechanismen fahnden. Denn Voraussetzung für die Entwicklung neuer antimikrobieller Wirkstoffe ist es, die grundlegenden Prozesse in der Zelle zu verstehen.“

*Olin-Sandoval V et al. Lysine harvesting is an antioxidant strategy and triggers underground polyamine metabolism.

Nature 2019 Jul 31. doi:10.1038/s41586-019-1442-6

Download Originalpublikation: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1442-6

Rückfragehinweis:
Prof. Dr. Markus Ralser
Leiter des Instituts für Biochemie
Charité – Universitätsmedizin Berlin                  
+49 30 450 528 142
michael.muelleder@charite.de
David A. Peña Navarro, MSc.
Universität für Bodenkultur Wien
Institut für Biotechnologie
david.pena@boku.ac.at
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