Wie Eukaryoten müssen auch Bakterien ihre Genaktivität als Antwort auf innere und äußere Signale regulieren. Dies geschieht auch im Zusammenhang mit der Wahrnehmung von anderen Zellen der eigenen Art. Das Verständnis dieses Zusammenhanges auf molekularer Ebene könnte die Basis für die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze gegen bakterielle Infektionen sein.

2.1

Beschreibe auf Basis von Material 4 die Transkription bei Bakterien (M 4).

6 BE

2.2

Erläutere mit Hilfe von Material 5 die Beeinflussung der Genaktivität durch die Zelldichte bei Bakterien (M 5).

12 BE

2.3

Vergleiche die therapeutischen Ansätze zur Bekämpfung pathogener Bakterienarten in Material 6 anhand von drei Kriterien tabellarisch (M 5, M 6).

8 BE

2.4

Werte die in Material 7 beschriebenen Ergebnisse der Experimente im Hinblick auf einen therapeutischen Nutzen des Proteins MomL bei Mukoviszidose aus (M 5, M 7).

Stelle zwei Hypothesen zur Wirkungsweise des Proteins MomL auf (M 5, M 7).

14 BE

M 4 Transkription bei Bakterien

Der Prozess der Transkription bei Bakterien entspricht im Wesentlichen der Transkription der Eukaryoten. Allerdings startet die RNA-Polymerase die Transkription ohne die Unterstützung von Transkriptionsfaktoren. Eine RNA-Prozessierung findet bei Bakterien nicht statt.

Abbildung 3: schematische Darstellung eines prokaryotischen Gens vor der Transkription

M 5 Quorum Sensing bei Bakterien

Als Quorum Sensing bezeichnet man einen Mechanismus, mit dem Bakterienzellen die Populationsdichte ihrer eigenen Art wahrnehmen können. Dies erfolgt mithilfe von Signalmolekülen, sogenannten Autoinduktoren, wie z. B. dem Signalmolekül AHL. Autoinduktoren werden von den Bakterienzellen kontinuierlich produziert und diffundieren aus der Zelle heraus. Sie werden von Bakterienzellen in näherer Umgebung sowie denselben Zellen wieder aufgenommen.

In der frühen Wachstumsphase einer Bakterienkolonie ist die extrazelluläre Konzentration von Autoinduktoren zunächst gering (Abbildung 4). Ab einer bestimmten Zelldichte wird eine ausreichend hohe Schwellenkonzentration (Quorum) der Autoinduktoren erreicht, die eine Änderung der Aktivität bestimmter Gene bewirken kann (Abbildung 5).

Die Produkte dieser Gene sind u. a. verschiedene Pathogenitätsfaktoren. Diese Pathogenitätsfaktoren ermöglichen es bei ausreichender Menge, die Eigenschaften einer Bakterienkolonie so zu verändern, dass innerhalb des Wirtes neue Lebensräume erschlossen oder Abwehrreaktionen des Immunsystems umgangen werden können. Dies kann bei dem Wirt, wie z. B. dem Menschen, Krankheitssymptome auslösen.

Abbildung 4: Genaktivität bei geringer Zelldichte

Abbildung 5: Genaktivität bei hoher Zelldichte

M 6 Therapeutische Ansätze zur Bekämpfung pathogener Bakterien

Bei der Bekämpfung pathogener Bakterien kommen seit vielen Jahrzehnten Antibiotika zum Einsatz. Diese Substanzen töten Bakterien ab oder hemmen ihr Wachstum. Auf Bakterienzellen wirken Antibiotika, indem sie den Proteinstoffwechsel stören, den Aufbau der Zellwand oder die DNA-Replikation hemmen. Meist sind diese Substanzen bei Bakterien mit ähnlichen Eigenschaften wirksam. Daher kommt es bei der therapeutischen Anwendung von Antibiotika beim Menschen zum Teil zur Schädigung nützlicher Bakterien, wie z. B. Darmbakterien.

Ein anderer, aktueller therapeutischer Ansatz könnte darin bestehen, den Mechanismus des Quorum Sensing zu stören – was als Quorum Quenching (von engl. to quench – dt. löschen) bezeichnet wird. An diesem Prozess könnten Proteine oder andere chemische Komponenten beteiligt sein, die auf unterschiedliche Weise das Quorum Sensing der Bakterien hemmen.

M 7 Quorum Sensing von Pseudomonas aeruginosa bei Mukoviszidose

Mukoviszidose ist eine genetisch bedingte Stoffwechselerkrankung. Die Betroffenen leiden u. a. unter zähflüssigem Schleim in den Atemwegen, der insbesondere die Lungenfunktion beeinträchtigt. Dies führt zu Atemschwierigkeiten bis hin zu Atemnot.

Bei Betroffenen der Mukoviszidose können häufig sowohl Bakterien der Art Pseudomonas aeruginosa als auch der Stoff Pyocyanin in den Sekreten der Atemwege nachgewiesen werden. Die Bakterien können den zähflüssigen Schleim als Nährboden nutzen und mit Hilfe von Quorum Sensing den Pathogenitätsfaktor Pyocyanin produzieren. Pyocyanin beeinträchtigt das Immunsystem und schwächt die Lungenfunktion. Bei der Therapie von Mukoviszidose werden daher Antibiotika verabreicht, um Infektionen mit P. aeruginosa zu bekämpfen oder vorzubeugen.

Auf der Suche nach alternativen Therapiemöglichkeiten wurde untersucht, inwiefern das von Wissenschaftlern neu entdeckte Protein MomL das Quorum Sensing von P. aeruginosa hemmen kann. Dazu wurde P. aeruginosa in Abwesenheit und in Anwesenheit des Proteins MomL kultiviert. Anschließend wurden sowohl die Menge des Autoinduktors AHL (Abbildung 6) als auch die Menge an Pyocyanin bestimmt (Abbildung 7).

2.1

Beschreibung der Transkription bei Bakterien

– RNA-Polymerase bindet an Promotorregion und öffnet hier die doppelsträngige DNA

– RNA-Polymerase beginnt die Synthese der RNA komplementär zum codogenen Strang

– Synthese erfolgt in 5´-3´- Richtung

– bei Erreichen der Terminatorregion löst sich die RNA-Polymerase vom DNA-Strang

– entstandene RNA wird freigesetzt

2.2

Bei geringer Zelldichte:

– R-Gen wird transkribiert → Regulatorprotein wird hergestellt

– AHL-S-Gen wird transkribiert → AHL-Synthase wird hergestellt → produziert das Signalmolekül AHL in geringen Mengen

– AHL kann Bakterienzelle verlassen

– das Gen für den Pathogenitätsfaktor wird nicht transkribiert

Bei hoher Zelldichte:

– R-Gen wird weiterhin transkribiert und Regulatorprotein hergestellt

– AHL bindet an Regulatorprotein → Regulatorprotein ändert Konformation und kann daher an Promotoren für AHL-S-Gen und PF-Gen binden

– AHL-S-Gen wird verstärkt transkribiert → mehr AHL-Synthase→ mehr AHL

– PF-Gen wird transkribiert → Pathogenitätsfaktor wird gebildet

– da alle Zellen AHL produzieren und AHL die Zellmembran passieren kann, kommt es zu einem Verstärkungseffekt

2.3

Tabellarischer Vergleich

Kriterium	Antibiotika	Quorum Quenching
Ziel des Einsatzes	Bekämpfung von bakteriellen Infektionen
Wirkmechanismus/Angriffspunkt	Störung des Proteinstoffwechsels, der Aufbau der Zellwand und die Schädigung des Erbgutes	Unterbrechung des Quorum Sensing
Ergebnis	Abtöten von Bakterien, Hemmen des Wachstums von Bakterien	Verhinderung des Krankheitsausbruchs/ der Pathogenität

2.4

Auswertung

– bei Anwesenheit von MomL weniger AHL sowie Pyocyanin als bei Abwesenheit von MomL nachgewiesen

– MomL stört das Quorum Sensing von P. aeruginosa

– MomL senkt die Konzentration von Pyocyanin → Immunsystem und die Lungenfunktion werden weniger durch den Pathogenitätsfaktor geschwächt

Schlussfolgerung: Die Therapie mit MomL könnte von Nutzen für an Mukoviszidose Erkrankte sein, da Mukoviszidose jedoch genetisch bedingt ist, bietet MomL keine ursächliche Therapie.

Hypothesen

Das Protein MomL ist ein Enzym und baut den Autoinduktor AHL ab. Die Menge von AHL wird dadurch reduziert. Daher wird das Quorum nicht erreicht und Pyocyanin nicht gebildet.

Das Protein MomL ist ein Enzym und verändert die Struktur des Regulatorproteins. AHL kann daher nicht mehr am Regulatorprotein binden. Eine Verstärkung der Synthese von AHL-S bleibt dadurch aus und nur wenig AHL wird gebildet. Daher wird das Quorum nicht erreicht und Pyocyanin nicht gebildet.