22.03.10 Molekulare Bremse eines bakteriellen Motors gefunden
Eine molekulare Bremse für den kleinsten Motor der Welt
Bakterien können mithilfe eines winzigen rotierenden Nanomotors unglaubliche Schwimmleistungen vollbringen - wobei eine eine molekulare Motorbremse die Geschwindigkeit steuert
Abb. 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines E. Coli-Bakteriums mit seinen Flagellen.
Quelle: Biozentrum der Universität Basel
Bakterien der Spezies Escherichia coli können, wie viele andere Keime auch, Nahrungsgradienten wahrnehmen und mit Hilfe rotierender Flagellen zu Orten höherer Nährstoffkonzentration schwimmen. Geht die Nahrung jedoch definitiv zur Neige, schwimmen die Keime immer langsamer. Bei diesem Phänomen spielen mit cyclischem di-Guanosinmonophosphat (c-di-GMP - ein intrazelluläres Signalmolekül, das nur in Bakterien vorkommt) und ein Protein namens YcgR eine Rolle; es blieb jedoch unklar, ob diese das Schwimmtempo direkt beeinflussen oder beispielsweise den Reibungswiderstand der Zelloberfläche erhöhen.
Abb. 2: c-di-GMP (CAS: 61093-23-0)
Einem Forscherteam aus Basel, Zürich, Heidelberg und Hannover unter der Leitung von Dr. Alex Böhm und Prof. Urs Jenal vom Biozentrum der Universität Basel konnte nun zeigen, dass die beiden Moleküle Teil einer ausgeklügelten Maschinerie sind, mit deren Hilfe E. coli seinen Flagellenmotor ganz gezielt drosseln kann.
Bindet nämlich der Botenstoff an das YcgR-Protein, wird dieses zu einer Art molekularen Bremse: Es interagiert mit jenen Teilen des Motors, die den Rotor antreiben, und verlangsamt dadurch die Drehbewegung der Flagellen. Und da jeder Motor über eine Reihe solcher Antriebsproteine verfügt, kann das Schwimmtempo schrittweise gedrosselt werden, und zwar umso stärker, je mehr Antriebsproteine durch die molekulare Bremse blockiert werden.
Abb. 3: Die Konzentration von c-di-GMP bestimmt die Geschwindigkeit des bakteriellen Motors. Wenn c-di-GMP an YcgR bindet, kann YcgR mit dem Flagellum-Motor-Protein MotA bremsend wechselwirken. Quelle: A. Böhm, Cell
Die neue Arbeit zeigt aber nicht nur einmal mehr, zu welchen faszinierenden Leistungen Mikroorganismen in der Lage sind, sondern ist darüber hinaus auch etwa für die Nanotechnologie von Interesse. Die hat den bakteriellen Flagellenmotor bereits vor geraumer Zeit für sich entdeckt, schliesslich ist dieser mit einem Durchmesser von etwa 45 Nanometern um mehrere Grössenordnungen kleiner als die - im Hinblick auf Beweglichkeit, Leistung und Wirkungsgrad - deutlich schlechteren Nanomotoren, die von Wissenschaftlern bislang gebaut wurden. Dass das Vorbild aus der Biologie nun auch noch fein reguliert werden kann, legt die Messlatte noch höher.
Quelle:
Second Messenger-Mediated Adjustment of Bacterial Swimming Velocity
A. Böhm, et. al., Cell 2010, DOI:
10.1016/j.cell.2010.01.018
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