Krankenhauskeim Pseudomonas aeruginosa Biomolekulare Maschinen als Schlüssel zur Biofilmbildung

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Bakterielle Biofilme sind wie ein Schutzschild für Bakterien. Hat sich einmal ein Biofilm ausgebildet, ist er nur schwer zu beseitigen – gerade in Krankenhäusern oder industriellen Umgebungen ist das ein Risiko. Wissenschaftler der Universität Düsseldorf haben mithilfe von Kryo-Elektronenmikroskopie die Struktur einer Proteinmaschinerie entschlüsselt, die für die Biofilmbildung von Pseudomonas aeruginosa essenziell ist. Eine Struktur, die zukünftig Angriffspunkt für neue Behandlungsmöglichkeiten sein könnte.

Bakterielle Biofilme sind häufig vorkommende Ansammlungen von Zellen, um das Überleben der Mikroorganismen auch in rauen Umgebungen zu sichern. Die Schichten machen sie sehr widerstandsfähig gegen mechanische und chemische Behandlungen, weshalb sie vor allem gefährlich werden, wenn sie Oberflächen medizinischer Geräte oder in der Lebensmittelindustrie überziehen und sich darin Schadorganismen ansiedeln.

Biofilme ermöglichen es Bakterien auch, genomische Informationen untereinander auszutauschen. Dadurch wird es für sie leichter, gegen Antibiotika Resistenzen zu entwickeln, wenn resistente Keime die Resistenzinformation an andere Spezies weitergeben. Biofilme erleichtern aber auch die Nährstoffaufnahme.

Im Kampf gegen Krankenhauskeime

Gerade, wenn Krankheitskeime Biofilme bilden, ist es wichtig zu verstehen, welche Mechanismen bei ihrer Bildung eine Rolle spielen. Dieser Frage ging die Arbeitsgruppe Synthetische Membransysteme der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) um Prof. Dr. Alexej Kedrov zusammen mit Kollegen der Ludwig-Maximilians-Universität München und der Universität Groningen in den Niederlanden nach. Sie haben sich auf den Krankheitserreger Pseudomonas aeruginosa (kurz P. aeruginosa) konzentriert, der beim Menschen unter anderem Lungenentzündungen, Harnwegsinfekte und Meningitis auslösen kann. Der Erreger ist gegen mehrere Antibiotika resistent und ein wichtiger so genannter Krankenhauskeim.

„Um Biofilme zu bilden, synthetisieren und exportieren Bakterien verschiedene Biopolymere, allen voran Polysaccharide – bestimmte Zuckerketten. Trotz jahrzehntelanger Forschung sind die Kenntnisse, wie die Synthese oder der Transport von statten gehen, noch gering. Wir haben uns auf das Polysaccharid ‚Pel‘ konzentriert, das P. aeruginosa produziert“, erklärt Kedrov.

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Das Zusammenspiel einer Proteinmaschinerie

Für die Produktion von Pel ist eine aus mehreren Untereinheiten bestehende Proteinmaschinerie erforderlich, die zwei Membranen durchquert. „Bisher waren aber weder die Struktur der Maschinerie noch deren Dynamik bekannt“, sagt Kedrov. „Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie können wir die Struktur des PelBC-Komplexes in den Lipidmembranen auflösen und den Weg des Pel-Polysaccharids identifizieren.“

Marius Benedens, der Erstautor, ergänzte zudem, dass ihre Studie aufzeige, wie elektrostatische Wechselwirkungen in der Natur genutzt würden, um den Exportkomplex zusammenzusetzen und den Transport des Polysaccharids zu ermöglichen. Damit die Zelle überlebe, dürfe die Pore für den Transport jedoch nicht dauerhaft offen sein. Daher sei eine kleine Konformationsänderung am Ende dieser Pore notwendig, bei der sich gewissermaßen ein winziges Tor öffne.

Angriffspunkt gegen Biofilmbildung

Die Mikroskopiedaten haben den Forschern wichtige Einblicke in die Proteinstruktur der Bakterien gegeben. „Es ist spannend, die Organisation einer komplexen Struktur so detailliert zu sehen“, sagt Kerov. „Sie zeigt unter anderem, wie die Natur Herausforderungen im Proteindesign löst, beispielsweise die Kopplung eines symmetrischen Rings von PelC-Untereinheiten an den asymmetrischen PelB-Kanal.“ Laut den Wissenschaftlern könnten die Ergebnisse möglicherweise zukünftig nutzt werden, um den Export von Pel gezielt zu blockieren und so die Biofilmbildung zu unterdrücken.

Im nächsten Schritt will die Arbeitsgruppe diesen Exportvorgang im Detail untersuchen. Zudem soll ein weiterer beteiligter Proteinkomplex näher erforscht werden, der für die Synthese von Pel im Zytoplasma der Zelle und dessen Transport über die innere Membran verantwortlich ist.

Originalpublikation: Benedens, M., Rosales-Hernandez, C., Straathof, S.A.P. et al. Assembly and the gating mechanism of the Pel exopolysaccharide export complex PelBC of Pseudomonas aeruginosa. Nat Commun 16, 5249 (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-60605-8

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