Pressemitteilung der TU München vom 18.06.2010

Wie Bakterien sich gegen Hitze schützen:

Weil es klein und robust ist und sich schnell vermehrt, ist das Darmbakterium Escherichia coli eines der wichtigsten „Arbeitspferde“ der Biotechnologie. Es produziert für uns Insulin und viele weitere pharmazeutisch wichtige Stoffe. Normalerweise fühlt sich das Bakterium bei 37° Celsius am wohlsten. Höhere Temperaturen verursachen dem Organismus Stress, Temperaturen über 46° Celsius sind bereits tödlich. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben nun an E. coli Bakterien untersucht, wie sich Organismen durch Evolution an höhere Temperaturen anpassen. In der aktuellen Ausgabe des Journal of Biological Chemistry berichten sie über ihre Ergebnisse.

Das Bakterium Escherichia coli ist nicht nur im menschlichen Darm zu Hause, es ist auch eines der wichtigsten „Arbeitspferde“ im Labor. Eine Vielzahl pharmazeutisch wichtiger Substanzen werden inzwischen biotechnologisch durch gentechnisch veränderte E. coli-Bakterien hergestellt, beispielsweise das Insulin. Während in der chemischen Produktion die Faustregel gilt, dass eine um zehn Grad höhere Temperatur eine Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit zur Folge hat, sind die Verhältnisse in der Biotechnologie viel komplizierter. Zwar steigt die Produktivität von E. coli bei höheren Temperaturen zunächst, oberhalb von 42° Celsius gerät der Organismus jedoch zunehmend unter Stress und produziert weniger brauchbare Proteine. Temperaturen über 46° Celsius sind für Wildtyp-E. coli bereits tödlich.

Dem Team um Jeannette Winter, Biochemikerin und Leiterin der Emmy-Noether-Gruppe „Oxidative Stress“ im Department Chemie der TU München, gelang es nun, E. coli-Bakterien durch Evolution über mehrere Jahre hinweg stufenweise eine sehr viel höhere Hitzeresistenz anzuzüchten. Ihre Bakterien wachsen mittlerweile bei Temperaturen von 48,5° Celsius. Hier scheint aber für den Organismus E. coli eine natürliche Grenze zu existieren. Höhere Wachstumstemperaturen erreichten die Forscher nicht.

Im Vergleich zu einer bei 37° Celsius aus den gleichen Vorfahren gezüchteten Kontrollpopulation enthielten die hitzeresistenten Bakterien das als Hitzeschutzprotein bekannte GroE schon bei normalen Bedingungen in 16-fach höherer Konzentration. Allerdings hat die Hitzeresistenz ihren Preis: Da der Organismus durch den andauernden Stress Veränderungen im Erbgut trägt und sehr viel Energie in die Produktion von Hitzeschutzproteinen steckt, wächst er insgesamt langsamer als seine Vorfahren.

Dahinter steht ein komplexer Prozess: Jedes Protein besteht aus einer langen Kette von Aminosäuren. Erst durch kunstvolle Faltung zu einer dreidimensionalen Struktur wird daraus das funktionierende Protein. Dabei helfen Chaperone genannte Proteine, wie das GroE. Es stabilisiert Proteine, die bei höheren Temperaturen instabil werden und hilft, durch Mutationen instabiler gewordene Proteine trotzdem in ihre funktionale Form zu bringen. „Die Fähigkeit der hitzeresistenten Bakterien, wesentlich höhere Konzentrationen an GroE produzieren zu können, ist ein entscheidender Faktor für die Überlebensfähigkeit unter diesen Bedingungen“, sagt Jeannette Winter.

Über die evolutionsbiologischen Aspekte hinaus liefert die Untersuchung der Arbeitsgruppe wertvolle Hinweise darauf, wie sich Organismen an veränderte Umweltbedingungen anpassen. „Ein besseres Verständnis der Arbeit der Chaperone könnte auch neue Wege für die gezielte Züchtung von Organismen für spezielle Aufgaben öffnen“, sagt Jeannette Winter. „Das sind nicht nur Bakterien zur Produktion von pharmazeutisch interessanten Proteinen sondern beispielsweise auch Bakterien, die unter harten Umweltbedingungen Umweltgifte abbauen können.“

Die Arbeiten wurden gefördert aus Mitteln des Exzellenzclusters Center for Integrated Protein Science Munich, dem Elitenetzwerk Bayern, dem Fonds der chemischen Industrie sowie der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG; SFB 594 und Emmy-Noether Programm)

Original-Publikation:
Evolution of Escherichia coli for Growth at High Temperatures,
Birgit Rudolph, Katharina M. Gebendorfer, Johannes Buchner, and Jeannette Winter
Journal of Biological Chemistry, 2010 285: 19029-19034

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Pressemitteilung der Universität Bonn vom 27.05.2010

Forscher klären Wirkungsweise auf / viel versprechende Leitsubstanz für neue Antibiotika

Ein Wirkstoff aus Pilzen und niederen Tieren eignet sich eventuell als schlagkräftige Waffe gegen gefährliche Bakterien. Die Rede ist vom so genannten Plectasin, einem kleinen Eiweißmolekül, das selbst hochresistente Keime zerstören kann. Forscher der Universität Bonn haben zusammen mit dänischen und holländischen Kollegen aufgeklärt, wie die Substanz das macht. Ihre Ergebnisse erscheinen am 28. Mai in der Zeitschrift Science. Die Autoren sehen in Plectasin eine viel versprechende Leitsubstanz für neue Antibiotika.

Immer mehr Bakterien sprechen auf gängige Antibiotika nicht mehr an. Das betrifft vor allem die methicillin-resistenten Staphylokokken: Gegen diese so genannten MRSA-Stämme sind die Waffen der Pharmaforschung inzwischen weitgehend stumpf. Nach Schätzungen erkrankt bereits jeder zweite intensivmedizinisch behandelte Patient in den USA an einer MRSA-Infektion.

Plectasin könnte die Kräfteverhältnisse wieder zu Gunsten der Mediziner zurechtrücken. Doch wie genau macht das kleine Eiweißmolekül das? Die Bonner Forscher um Dr. Tanja Schneider und Professor Dr. Hans-Georg Sahl haben diese Frage zusammen mit dänischen und holländischen Kollegen beantwortet. Demnach stört Plectasin die Bildung der Bakterienzellwand, so dass sich die Erreger nicht mehr teilen können.

Diebstahl auf der Bakterien-Baustelle

Plectasin verhält sich dabei wie ein Dieb, der einem Maurer die Steine klaut. „Es heftet sich an den Zellwand-Bestandteil Lipid II und verhindert so, dass dieser eingebaut wird“, erklärt Professor Sahl. „Ohne Zellwand sind Bakterien aber nicht lebensfähig.“ Kein Wunder, dass das wohl bekannteste Antibiotikum Penicillin ebenfalls die Zellwand-Synthese behindert.

Plectasin ähnelt in seiner Wirkungsweise jedoch eher dem ebenfalls weit verbreiteten Vancomycin. Vancomycin galt seit den 80er Jahren im Kampf gegen MRSA-Stämme als Mittel der Wahl. Inzwischen gibt es jedoch mehr und mehr Bakterien, die auch gegen Vancomycin resistent sind. „Gegen Plectasin sind diese Stämme jedoch noch empfindlich“, betont Dr. Tanja Schneider. Dennoch sei auch mit der neuen Substanz das Resistenz-Problem nicht auf Dauer gelöst. „Es ist immer nur eine Frage der Zeit, bis die Erreger mutieren und ihnen auch die neuen Medikamente nichts mehr anhaben können“, sagt sie. „Das ist ein ewiges Wettrüsten.“

Plectasin wurde im Rahmen einer Studie der dänische Firma Novozymes entdeckt. Es gehört zu den so genannten Defensinen. Diese Abwehrmoleküle sind bei Pilzen, Tieren und wohl auch bei Pflanzen weit verbreitet. Der Mensch bildet beispielsweise Defensine auf seiner Haut und erstickt so viele Infektionen bereits im Keim. Defensine töten jedoch nicht nur Krankheitserreger, sondern alarmieren auch das Immunsystem. Daher setzt die Pharmabranche in sie besonders große Hoffnungen. (Andreas Archut)

Externer Link: www.uni-bonn.de

Presseinformation der LMU München vom 25.05.2010

Protein verknüpft wichtigste Schritte der Genexpression

Die Genexpression ist einer der elementaren Prozesse des Lebens. Dabei wird in einer Vielzahl von Einzelschritten die genetische Information in Proteine übertragen. Zunächst wird in der Transkription die genetische Information des Erbmoleküls DNA in das Botenmolekül mRNA übertragen, das dann den Zellkern verlässt. Denn erst im Zellinneren, dem Zytoplasma, wird anhand dieser Vorlage in der sog. Translation das kodierte Protein synthetisiert. Die LMU-Biologin Dr. Katja Sträßer untersucht, wie diese verschiedenen Schritte miteinander verbunden sind und wie diese Verbindungen die Genexpression effizienter machen. Zusammen mit ihren Mitarbeitern konnte sie nun nachweisen, dass das RNA-bindende Protein Sro9 die Transkription mit der Translation verknüpft. „Das Protein pendelt zwischen dem Zellkern und dem Zytoplasma hin und her“, sagt Sträßer. „Wir vermuten, dass Sro9 schon in der Transkription an das neu synthetisierte mRNA-Molekül bindet und mit diesem aus dem Zellkern exportiert wird, weil es auch für eine effiziente Translation benötigt wird. Sro9 würde damit die auf zellulärer Ebene weit entfernten Schritte der Transkription und Translation funktionell verbinden – und auf diese Weise eine effiziente Genexpression sowie eine Qualitätskontrolle ermöglichen.“ (RNA online, 21. Mai 2010)

Alle lebenden Zellen enthalten im Kern fadenförmige DNA-Moleküle, die aus Tausenden von Genen bestehen. Diese tragen die Bauinformation für Proteine, die Funktionsträger der Zelle. Doch der Weg von der genetischen Information zum Protein ist weit: Zunächst muss in der sogenannten Transkription das betreffende Gen in RNA übersetzt werden, eine der DNA nahe verwandte Nukleinsäure. Dabei entsteht das Botenmolekül mRNA, das die genetische Information aus dem Zellkern trägt, damit sie im Zytoplasma in das entsprechende Protein umgesetzt werden kann. Proteine wiederum sind die wichtigsten Funktionsträger der Zelle mit einer Vielzahl von Aufgaben, etwa als Enzyme und Transportmoleküle.

„Das wiederum macht die Genexpression zu einem der wichtigsten Prozesse allen Lebens“, betont Sträßer. „Bislang aber wurden Transkription und Translation nicht nur räumlich, sondern auch funktionell als weitgehend getrennte Prozesse gesehen.“ Mittlerweile weiß man, dass die mRNA, die bei der Transkription entsteht und in der Translation abgelesen wird, von einer Vielzahl von Proteinen bedeckt ist – die vermutlich auch bei späteren Schritten der Genexpression eine Rolle spielen. Es wird sogar vermutet, dass diese Proteine, etwa über ihre jeweils spezifische Zusammensetzung, auf einer ganz eigenen Ebene zur Regulation der Genexpression beitragen.

Vom Protein Sro9 war bekannt, dass es bei der Transkription, der Translation und der Stabilisierung der mRNA eine Rolle spielt. Sträßer und ihre Mitarbeiter konnten nun zeigen, dass Sro9 zu aktiv transkribierten Genen rekrutiert wird und zwischen dem Zellkern und dem Zytoplasma pendelt. „Nach unserem Modell bindet das Protein an das mRNA-Molekül schon während dessen Synthese, um diesen Vorgang zu unterstützen“, sagt Sträßer. „Mit dem Botenmolekül gelangt Sro9 aus dem Zellkern, um dann auch zur Translation beizutragen. Möglicherweise gehört Sro9 zur wachsenden Gruppe von Proteinen, die einzelne Prozesse der Genexpression im Zellkern mit denen im Zytoplasma verknüpfen. Die Kopplung verschiedener Schritte der Genexpression macht diese wiederum effizient – und ermöglicht eine Qualitätskontrolle.“ (suwe)

Publikation:
„Nucleocytoplasmic shuttling of the La-motif containing protein Sro9 might link its nuclear and cytoplasmic functions“,
Susanne Röther, Cornelia Burkert, Katharina M. Brünger, Andreas Mayer, Anja Kieser, and Katja Sträßer
RNA online, 21. Mai 2010
DOI: 10.1261/rna.2089110

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Presseinformation der Ruhr-Universität Bochum vom 21.05.2010

Frontiers in Neuroscience Behavior: Taufliegen-Larven können Licht riechen
Bochumer Forscher beobachten neuronales Netz

Bochumer Wissenschaftlern ist es gelungen, Taufliegen-Larven genetisch so zu verändern, dass sie blaues Licht riechen können. Die Forscher können einzelne der 28 Riech-Nervenzellen der Larven für diese Wahrnehmung aktivieren. Für die Tiere, die Licht normalerweise meiden, riecht blaues Licht dann nach Banane, Marzipan oder Klebstoff – alles Duftstoffe, die in verfaulendem Obst verkommen und für Fliegenlarven attraktiv sind. Blaulicht finden sie dann entsprechend anziehend. Die Bochumer und Göttinger Forscher um Prof. Dr. Klemens Störtkuhl versprechen sich davon Einsichten in die Verschaltung und die Funktionsweise des Gehirns. Sie berichten in der Internationalen Zeitschrift Frontiers in Neuroscience Behavior.

Licht riecht lecker

Die Riech-Nervenzellen der nur einen Millimeter kleinen genetisch veränderten Fliegenlarven sind alle in der Lage, das entsprechende Protein herzustellen, das durch Licht aktiviert wird. Welche der 28 Zellen schließlich licht-empfindlich wird, können die Forscher mit Hilfe von genetischen Markern frei wählen. „Wir konnten sowohl Zellen aktivieren, die normalerweise abstoßende Düfte wahrnehmen, was eine Schreckreaktion bei den Tieren auslöst, als auch solche, die attraktive Düfte wahrnehmen, wie Banane, Marzipan oder Klebstoff“, erklärt Prof. Störtkuhl. Die aktivierten Nervenzellen senden bei Bestrahlung mit blauem Licht der Wellenlänge 480nm ein elektrisches Signal – sie feuern. Die Larve hat so den Eindruck, Düfte wahrzunehmen. Das Experiment zeigt, dass sich Larven, bei denen Nerven-Zellen, die für attraktive Duftstoffe zuständig sind, lichtempfindlich gemacht wurden, auf das Licht zu bewegen, während genetisch unveränderte Larven Licht generell meiden.

Tiere werden nicht verletzt

Die Forscher können den Effekt außerdem elektrophysiologisch messen. Dünne Elektroden können das Signal der Licht-aktivierten Nervenzellen detektieren. So lässt sich die Verarbeitung des Nervensignals bis ins Gehirn weiterverfolgen und somit lassen sich neuronale Netze nicht-invasiv beobachten. „Der große Vorteil dieser Technik besteht darin, dass wir am lebenden Tier Tests durchführen können, ohne es zu verletzen“, sagt Prof. Störtkuhl. Die Forscher versprechen sich mit dieser neuen Technik weitere Einblicke in die Verschaltung und die Funktionsweise des Gehirns. Der Geruchssinn funktioniert bei den genetisch veränderten Fliegenlarven übrigens normal.

Gleiches Prinzip auch bei anderen Tieren

In weiteren Studien wollen die Forscher nach demselben Prinzip auch erwachsene Taufliegen mit den photoaktivierbaren Proteinen ausstatten, um in ihrem Gehirn einzelne Nervenzellen gezielt anregen zu können. Die hier erfolgreich eingesetzte Methode werden nun auch in anderen Laboren u.a. dann der RUB bei Mäusen etabliert werden, um ähnliche Fragestellungen beantworten zu können. (Meike Drießen)

Titelaufnahme:
Bellmann D, Richardt A, Freyberger R, Nuwal N, Schwärzel M, Fiala A and Störtkuhl KF (2010) Optogenetically induced olfactory stimulation in Drosophila larvae reveales the neuronal basis of odor-aversion behavior. Front. Behav. Neurosci. 4:27. doi:10.3389/fnbeh.2010.00027

Externer Link: www.ruhr-uni-bochum.de

Pressemitteilung der Universität Heidelberg vom 18.05.2010

Wissenschaftler untersuchen Wirkungsspektrum des Steuerungsgens „Wuschel“

Pflanzen müssen, um die eigene Fortpflanzung zu sichern, die Zahl ihrer Stammzellen genau ausbalancieren. Das für diese Aufgabe wichtigste Gen haben Forscher aus Heidelberg, Tübingen und Santa Fe (Argentinien) bei Experimenten an einem Modellorganismus der Biologie, der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, detailliert untersucht. Das Team um Prof. Dr. Jan Lohmann von der Universität Heidelberg konnte zeigen, wie dieser „Regisseur“ arbeitet und welche anderen molekularen Akteure von ihm beeinflusst werden. Dabei sind auch überraschende Gemeinsamkeiten mit der Stammzellkontrolle bei Tieren zutage getreten. Die Forschungsergebnisse werden heute in „Developmental Cell“ veröffentlicht.

Im Fokus der Arbeiten stand ein als „Wuschel“ bezeichnetes Steuerungsgen, dessen entscheidende Bedeutung für die Stammzellkontrolle bereits vor 14 Jahren entdeckt wurde. „Wuschel ist der zentrale Schalter, über den Pflanzen die Anzahl ihrer Stammzellen regulieren“, erläutert Prof. Lohmann, der die Abteilung für Stammzellbiologie an der Universität Heidelberg leitet. Die Biologen konnten nun fast 700 Gene ausmachen, deren Aktivität von Wuschel abhängt. Rund 130 davon stehen offenbar direkt unter der Kontrolle dieses zentralen Schalters: Als sogenannter Transkriptionsfaktor heftet sich Wuschel an regulatorische Bereiche der DNA, die diese Gene direkt anschalten oder stilllegen können. Dabei handelt es sich vor allem um Gene, die für den Stoffwechsel der Pflanze, für ihre Entwicklung und für ihren Hormonhaushalt zuständig sind.

Diese Aufgabenverteilung bestätigt zunächst das bisherige Bild der pflanzlichen Stammzellkontrolle. „Es ist bekannt, dass neben genetischen Faktoren auch wachstumsfördernde Hormone wie Auxin und Cytokinin daran mitwirken, die Zahl der Stammzellen zu regulieren“, sagt Prof. Lohmann. Die Heidelberger Experimente, die in das Exzellenzcluster „Cellular Networks“ der Ruperto Carola eingebunden sind, bieten jedoch auch eine Vielzahl neuer Einblicke. So hat sich gezeigt, dass Wuschel nicht nur – wie bereits nachgewiesen – die Aktivität von Cytokinin beeinflusst, sondern auch auf den zweiten hormonellen Hauptakteur, Auxin, einwirkt. Eine wesentliche Aufgabe des Wuschel-Gens besteht demnach darin, die feine Balance zwischen diesen beiden Hormonen in der Sprossspitze der Pflanzen aufrechtzuerhalten.

Mit ihrer Arbeit weisen die Heidelberger Biologen dem Wuschel-Gen eine klare Rolle zu: In den Wachstumszonen der Pflanze stimmt es die Wirkung frei zirkulierender Hormone so auf die lokalen Bedürfnisse ab, dass Stammzellen gedeihen können. „Erst solche Mechanismen machen es möglich, dass ein und dasselbe Hormon in verschiedenen Geweben unterschiedliche Wirkungen entfaltet“, sagt Jan Lohmann. Die umfangreiche Analyse hat auch gezeigt, dass Wuschel ähnlich arbeitet wie tierische Transkriptionsfaktoren, die an der Entstehung und Erneuerung von Stammzellen beteiligt sind. Dabei nutzt das Steuerungsgen teilweise auch identische DNA-Bereiche als Ankerpunkt. „Die Mechanismen der Stammzellkontrolle sind ähnlicher als wir gedacht haben“, betont Prof. Lohmann.

Originalveröffentlichung:
W. Busch, A. Miotk, F.D. Ariel, Z. Zhao, J. Forner, G. Daum, T. Suzaki, C. Schuster, S.J. Schultheiss, A. Leibfried, S. Haubeiß, N. Ha, R.L. Chan, and J.U. Lohmann: Transcriptional Control of a Plant Stem Cell Niche, Developmental Cell 18, 849-861, May 18, 2010, doi:10.1016/j.devcel.2010.03.012

Externer Link: www.uni-heidelberg.de