Molekulare Strickliesel für Bakterienkapsel in 3D

Viele Bakterien, insbesondere Krankheitserreger, schützen sich durch eine Kapsel aus Zuckermolekülen vor Umwelteinflüssen und dem menschlichen Immunsystem. Strukturbiologen des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) machten nun mittels Kryoelektronenmikroskopie erstmals den zentralen Wza-Wzc-Proteinkomplex auf atomarer Ebene dreidimensional sichtbar. Dieser Komplex schleust die Zuckermoleküle aus dem Zellinneren nach außen. Die Studie entschlüsselt zudem die Kanalbildung sowie die am Transport beteiligten molekularen Akteure. Diese Erkenntnisse sollen helfen, Zielstrukturen für Wirkstoffe zu identifizieren, die den Kapselaufbau hemmen, um bakterielle Erreger wieder für die Immunabwehr angreifbar zu machen.

Die Tarnkappe der Bakterien: Schutzschicht aus Zucker

Viele Bakterien schützen sich durch eine Kapsel aus Zuckermolekülen vor äußeren Einflüssen und der menschlichen Immunabwehr. „Viele Bakterien sind nicht nackt, sondern ziemlich gut eingepackt – mit einer Schutzhülle aus einem dichten Netzwerk aus Zuckermolekülen, die sie vor äußeren Umwelteinflüssen wie etwa Austrocknung schützt“, sagt Prof. Dirk Heinz. Die Hülle dient pathogenen Keimen zudem als effektive Tarnung. „Für bakterielle Krankheitserreger hat diese Kapsel noch einen weiteren Vorteil: Sie funktioniert wie eine Tarnkappe. Denn die hochvariabel miteinander verketteten Zuckermoleküle der Bakterienkapsel erschweren die Erkennung durch unsere Immunzellen“, so Heinz weiter.

Neue Angriffsflächen gegen resistente Keime

Angesichts steigender Antibiotikaresistenzen forscht das HZI intensiv an neuen Wirkstoffen. Ein vielversprechender Ansatz liegt in der Entschlüsselung der bakteriellen Zucker-Tarnkappe. „Das wäre ein idealer Ansatzpunkt, um Wirkstoffe zu entwickeln, die die Ausbildung der Bakterienkapsel verhindern oder zumindest eindämmen könnten. Dann kämen die darunterliegenden Strukturen des Bakteriums zum Vorschein, an denen unsere Immunzellen besser angreifen können“, erklärt Dr. Biao Yuan. Während die zentrale Rolle des Proteinkomplexes Wza-Wzc beim Kapselaufbau gramnegativer Bakterien bereits bekannt war, blieben dessen genaue Struktur und der Transportmechanismus der Zuckermoleküle bislang rätselhaft. Mit ihrer aktuellen Studie konnten die HZI-Strukturbiologen diese Wissenslücke nun schließen.

Einblicke in die molekulare „Strickliesel“ der Bakterien

Für ihre Untersuchungen nutzten die Forschenden die Kryoelektronenmikroskopie, um die dreidimensionale Struktur von Proteinen in hoher Auflösung an einem Escherichia coli-Laborstamm sichtbar zu machen. Da gramnegative Bakterien von zwei Membranen sowie einer äußeren Zuckerkapsel umgeben sind, müssen die im Inneren gebildeten Moleküle beide Barrieren überwinden.

„Wir fanden heraus, dass das Protein Wzc, das als ringförmiges Oktamer innerhalb der Zellmembran positioniert ist, ausgelöst durch einen biochemischen Prozess eine Art Suchbewegung ausführt. Es streckt einen molekularen Arm aus und tritt auf diese Weise mit dem ebenfalls aus acht Einheiten bestehenden Protein Wza, das sich innerhalb der darüberliegenden äußeren Membran befindet, in Kontakt“, beschreibt Biao Yuan. Dieser Prozess schafft einen durchgängigen Transportkanal. „Sie bilden daraufhin einen durchgängigen Transportkanal, über den die Zuckermoleküle mit Hilfe eines weiteren Proteins, der Wzy Polymerase, vom Zellinneren des Bakteriums nach außen gelangen, wo sie die Kapsel ausbilden“, so Yuan weiter. Das Wza-Wzc-Wzy-System fungiert dabei wie eine molekulare Strickliesel, die im Inneren verknüpfte Zuckermoleküle nach außen leitet, wo sie Teil der schützenden Tarnkappe werden.

Durchbruch in der 3D-Visualisierung des Bakterienschutzes

Die aktuelle Studie liefert erstmals den direkten Beweis für die Struktur des bakteriellen Transportweges. „Mit unserer Studie konnten erstmals reale 3D-Bilder des Wza-Wzc-Transportkanals erzeugt werden. Wir konnten seine zuvor postulierte Existenz damit also eindeutig nachweisen“, sagt Dirk Heinz. Neben dem Nachweis identifizierte das Team essenzielle molekulare Bausteine für dessen Entstehung und Funktion sowie erste Hinweise auf die Akteure des aktiven Zuckertransports. In künftigen Untersuchungen wollen die Forschenden den Wza-Wzc-Kanal und seine Partner weiter analysieren. Das Ziel bleibt dabei klar definiert: „Ihr Ziel ist es, mögliche Zielstrukturen für Wirkstoffe zu identifizieren, mit denen den Bakterien ihr Strickzeug für ihre schützende Tarnkappe entzogen werden kann.“

Quelle

Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (02/2026)