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Bis jetzt, das heißt. Lorenzo Talà, Doktorand im Labor von Alexandre Persat an den EPFL-Instituten für Bioengineering und Globale Gesundheit, hat eine Mikroskopie-Methode entwickelt, mit der die Strukturen, die viele Bakterien zum Krabbeln benutzen, direkt beobachtet werden können.
„Bakterienoberflächen sind mit Proteinfilamenten verziert, die an der Motilität, Adhäsion, Signalübertragung und Pathogenität beteiligt sind und letztlich bestimmen, wie Bakterien mit ihrer Umgebung interagieren“, sagt Talà. „Sie sind jedoch so klein, dass es äußerst kompliziert ist, sie in lebenden Zellen zu beobachten.
Das gilt vor allem für Strukturen, die als „Typ-IV-Pili“ bekannt sind: nanometergroße Fäden, die sich von der Oberfläche vieler Bakterien ausbreiten und zurückziehen und ihnen helfen, sich auf eine Weise fortzubewegen, die als „zuckende Motilität“ bekannt ist. Der Begriff mag nicht sehr ernst klingen, aber er aktiviert mechanisch die Virulenz in bestimmten Krankheitserregern – was bedeutet, dass er ein Hauptziel für deren Bekämpfung ist.
Die Wissenschaftler untersuchten das Bakterium Pseudomonas aeruginosa, einen opportunistischen Krankheitserreger, der häufig im Boden vorkommt. Es ist eines der medizinisch bedenklichsten Bakterien: Es ist eine der Hauptursachen für Krankenhausinfektionen und schwere Infektionen bei Mukoviszidose, traumatischen Verbrennungen und immungeschwächten Patienten und steht jetzt auf Platz 1 der Antibiotikaresistenz-Beobachtungsliste der Weltgesundheitsorganisation.
Aber orchestrieren einzelne Bakterien die Bewegung der Typ-IV-Pili, um ihre Motilität anzutreiben? „In unseren Studien über Typ-IV-Pili und die mechanische Aktivierung der Virulenz von Pseudomonas aeruginosa war ein technisches Paradoxon eine Quelle der Frustration: Pili, aber auch Fimbrien, Flagellen und Injektionssysteme erstrecken sich ständig außerhalb einzelner Zellen, warum können wir sie also nicht direkt sichtbar machen?“
Um dieses Problem zu lösen, untersuchten die Wissenschaftler eine neue Mikroskopiemethode, die von ihrem Mitarbeiter Philipp Kukura an der Universität Oxford entwickelt wurde. Mit Hilfe einer Technik namens interferometrische Streuungsmikroskopie (iSCAT) konnten sie diese nanometergroßen Fäden in lebenden Zellen sehen, ohne chemische Markierungen, mit hoher Geschwindigkeit und in drei Dimensionen.
„iSCAT stellt einen großen technologischen Fortschritt in der Mikrobiologie dar“, sagt Persat. „
Um die Koordination der Bewegungen von Typ-IV-Pili zu verstehen, konzentrierten sich die Wissenschaftler darauf, die Abfolge von Anheftung, Zurückziehen und Verschiebung des Zellkörpers mit iSCAT genau zu verfolgen. Der Ansatz zeigte drei Schlüsselereignisse, die zu einer erfolgreichen und energetisch effizienten Bewegung über Oberflächen führen.
Erstens wird durch den Kontakt der Pilusspitze mit der Oberfläche ein molekularer Motor aktiviert, der die Retraktion einleitet. Zweitens verstärkt diese Retraktion die Befestigung des Pilus an der Oberfläche, wodurch sich die Verschiebung des Bakteriums erhöht. Schließlich verstärkt ein zweiter, stärkerer molekularer Motor die Verdrängung des Bakteriums bei starker Reibung.
Diese Sequenz zeigt, dass Pili als Sensoren fungieren, und offenbart einen neuen Mechanismus, durch den Bakterien mit Oberflächen interagieren. Sie zeigt auch, dass Bakterien sensorische Mechanismen nutzen, um die dynamische Bewegung ihrer Motilitätsmaschinen zu koordinieren, und zwar in verblüffender Analogie zu der Art und Weise, wie höhere Organismen, einschließlich des Menschen, ihre Gliedmaßen bewegen, um eine Bewegung zu erzeugen.
„Das menschliche Zentralnervensystem verarbeitet mechanosensorische Signale, um nacheinander motorische Komponenten zu aktivieren, was eine Muskelkontraktion auslöst und zu einem Gang führt“, erklärt Talà. „Unsere Arbeit zeigt, dass Bakterien auf die gleiche Weise den Tastsinn nutzen, um nacheinander molekulare Motoren zu aktivieren, die Zyklen des Ausfahrens und Einziehens von Pili erzeugen, die zu einem Gangmuster führen.