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Krankheiten: Zwei-Hüllen-Erreger

Tuberkulose - eine der größten Geißeln der Menschheit - ist wieder auf dem Vormarsch. Bessere Medikamente dagegen sind deshalb gefragt. Deutsche Forscher gewannen nun neue Erkenntnisse zu den Schutzschilden des Keims und eröffnen der Medizin neue Bekämpfungsansätze.
Tuberkulose-Erreger <i>Mycobacterium tuberculosis</i>Laden...
Erstmals im März 1882 berichtete Robert Koch über den Erreger der Tuberkulose und dessen Gefahren: "Die Statistik lehrt, dass ein Siebtel aller Menschen an Tuberkulose stirbt." Noch immer erkranken jährlich zehn Millionen Menschen an der Krankheit, und jeden Tag sterben etwa 4000 mit Mycobacterium tuberculosis infizierte Patienten. Die medikamentöse Behandlung ist langwierig und der Schutz durch Impfung nach wie vor unzureichend. Deshalb befassen sich weltweit Forschergruppen mit der Untersuchung der "säurefesten Stäbchen", die durch eine komplexe und für die meisten Moleküle schwer überwindbaren Zellwand geschützt sind. Ihr verdanken die Mykobakterien die besondere Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen und antibakteriellen Substanzen.

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Mycobacterium bovis | Lichtmikroskopische und elektronentomografische Aufnahmen von Mycobacterium bovis. Oben links: Mehrere Mykobakterien bei etwa 1000-facher Vergrößerung im Lichtmikroskop. Oben rechts: Längsschnitt durch die dreidimensionale, im Computer rekonstruierte Struktur einer 1,5 Mikrometer langen Bakterienzelle. Die Bilddaten wurden im Elektronenmikroskop mit der Technik der Kryo-Elektronentomografie aufgenommen. Der weiße Maßstab entspricht hundert Nanometer oder 0,1 Mikrometer. Bild unten: 3D-Struktur eines Ausschnitts aus der Zellhülle des Mykobakteriums. Die einzelnen Komponenten sind farblich hinterlegt. In Gelb ist links die innere und rechts die äußere Lipid-Doppelmembran dargestellt. Blau kennzeichnet polymere Zellwandbestandteile, an die die Mykolsäuren gebunden sind. Die Zellhülle ist etwa 35 Nanometer dick.
Es ist schon länger bekannt, dass langkettige, fest gebundene Fettsäuren – die Mykolsäuren – zur Erhaltung der Widerstandsfähigkeit der Zellwand notwendig sind. Doch hat man vom Aufbau der Zellhülle auch gut 125 Jahre nach Kochs Entdeckung noch unvollständige und zum Teil widersprüchliche Vorstellungen. So nahmen Forscher bislang an, dass die Mykolsäuren eine geschlossene Schicht bilden oder den inneren Teil einer Doppelschicht stellen, die besonders dick und asymmetrisch gestaltet ist. Harald Engelhardt und seine Gruppe am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried konnten nun erstmalig direkt nachweisen, dass die äußere Zellwandschicht der Mykobakterien aus einer klar strukturierten Lipid-Doppelmembran besteht: Der Aufbau dieser Membran ist allerdings mit den bisherigen Annahmen kaum in Einklang zu bringen.

Die Forscher verglichen im Elektronenmikroskop die äußere Zellwand von Mycobacterium smegmatis und Mycobacterium bovis, einem engen Verwandten des Tuberkulose-Erregers. Die von ihnen und anderen Wissenschaftlern am Institut entwickelte Technik der Kryo-Elektronentomografie ermöglichte es erstmalig, dreidimensionale Aufnahmen der Doppelmembran-Struktur bei intakten Zellen zu gewinnen. So konnten sie von schockgefrorenen Zellen Projektionen aus verschiedenen Winkeln aufzeichnen, wobei für Anzahl, Schärfe und Kontrast der Aufnahmen ein Optimum gefunden werden muss.

Hoffmann und seine Kollegen beobachteten in ihren tomografischen Daten entgegen den Erwartungen eine eher symmetrische und wesentlich dünnere Struktur der äußeren mykobakteriellen Membran. Sie können jetzt auch die Einbettung der Porenproteine in die äußere Membran von Mycobacterium smegmatis befriedigend erklären. Die molekulare Struktur der Proteine hatte bislang nicht zu den bekannten Zellwandmodellen gepasst.

Harald Engelhardt stimmt zu, dass die Mykolsäuren die äußere Membran in der Zellwand verankern. "Doch die Membran ist wohl nicht so gebaut, wie man annahm. Die Mykol- und übrigen Fettsäuren müssen in der Lipidmembran anders angeordnet sein als gedacht", so der Leiter des Forschungsprojekts. Eine genauere Untersuchung der äußeren Membran von Mykobakterien sei deshalb notwendig. Mit den neuen Erkenntnissen können nun gezielt Studien zum Stofftransport durch die äußere Membran durchgeführt werden, die auch womöglich auch der Entwicklung von Chemotherapeutika dienen. "Schließlich müssen die Medikamente möglichst gut durch die mykobakterielle Zellwand an ihren Wirkungsort gelangen, und dafür ist ein besseres Verständnis der Zellhülle hilfreich", meint Engelhardt abschließend.
04.03.2008

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 04.03.2008

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