Medizin

Treteimer-Mechanismus bei Darmbakterien entdeckt

Neues Wissen über die Darmflora
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Grafik zeigt, wie dieser Prozess unterstützt wird
Die Grafik zeigt, wie dieser Prozess durch ein substratbindendes Protein (SusD, in pink) und Lipoproteine (SusEF, in blau) unterstützt wird. Karunakar R. Pothula / Jacobs University
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Forscher der Newcastle University und der Jacobs University decken auf, wie Nährstoffe in Darmbakterien hinein transportiert werden. Ihre Erkenntnisse vergrößern das Wissen über die Darmflora, die mit der Entstehung von Autoimmunerkrankungen, Krebs und Adipositas in Verbindung steht.

Die Forscher unter der Leitung von Professor Bert van den Berg von der Newcastle University und mit der Beteiligung von Professor Ulrich Kleinekathöfer und Professor Mathias Winterhalter von der Jacobs University in Bremen stellten kürzlich in Nature ihre Erkenntnisse vor.

Starker Wettbewerb zwischen Mikroorganismen

Der menschliche Dickdarm ist von einer äußerst dichten Bakterienpopulation besiedelt, die kollektiv als die Mikrobiota oder Darmflora bezeichnet wird. Aktuelle Forschungen deuten darauf hin, dass die Mikrobiota wichtig für die menschliche Gesundheit ist und mit Autoimmunerkrankungen, Krebs und Adipositas in Verbindung steht. Die Funktion und Zusammensetzung der mikrobiellen Darmflora sind abhängig von der Fähigkeit einzelner Mikroorganismen, sich im Umfeld des menschlichen Dickdarms Nährstoffe wie Stärke und andere Polysaccharide zu beschaffen. Dabei stehen sie in starkem Wettbewerb mit anderen Mikroorganismen.

Oft Zwei-Komponenten-Komplexe

Der Prozess der Nahrungsbeschaffung wird von in der Bakterienzellwand eingelagerten Proteinmaschinen ausgeführt. Bei vielen Darmbakterien handelt es sich hierbei um Zwei-Komponenten-Komplexe aus einem substratbindenden Protein (SusD) und einem kanalbildenden Transportprotein (SusC).

Die Wissenschaftler der Newcastle University berichten, dass sie die ersten dreidimensionalen atomaren Strukturen von SusCD-Komplexen mittels Röntgenkristallographie bestimmt haben. Die Arbeitsgruppe von Professor Kleinekathöfer von der Jacobs University hat auf Basis dieser Strukturdaten molekulare Simulationen durchgeführt. Mithilfe von biophysikalischen Methoden hat die Arbeitsgruppe von Professor Winterhalter die Transporteigenschaften des kanalbildenden Proteins SusC analysiert. Hierbei zeigte sich: Die SusCD-Komplexe funktionieren wie ein Treteimer, wobei SusD den „Deckel“ auf dem „Eimer“ SusC bildet. Wenn kein Substrat vorhanden ist, kann sich der Deckel öffnen. Nach der Substrataufnahme schließt sich der Deckel und das Substrat wandert in den Eimer, um in die Zelle transportiert zu werden.

Grundlegende Erkenntnisse zur Funktionsweise der Mikrobiota

„Wir sind sehr froh, dass unsere Kenntnisse als Biophysiker in dieser internationalen und interdisziplinären Forschungsgruppe dazu beitragen konnten, eine Frage von möglicher medizinischer Bedeutung zu klären“, so Kleinekathöfer und Winterhalter.

Die Untersuchung liefert grundlegende Erkenntnisse zur Funktionsweise der Mikrobiota und zum Verständnis der Symbiose der menschlichen Darmflora. Solche Ergebnisse sind eine notwendige Ergänzung zu den aktuellsten Forschungen im Bereich Mikrobiota, die sich vornehmlich mit Fragen der Systembiologie befassen wie zum Beispiel, welche Bakterien sich unter welchen Bedingungen im menschlichen Dickdarm befinden. (idw, red)

Literatur:

Amy J. Glenwright,    Karunakar R. Pothula,    Satya P. Bhamidimarri et al.: Structural basis for nutrient acquisition by dominant members of the human gut microbiota. Nature (2017), Published online 11 January 2017, DOI: 10.1038/nature20828.

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