Pseudomonas nutzt Baukastenprinzip für schnelle Anpassung

HZI-Wissenschaftler zeigen wie sich Pseudomonas aeruginosa an Umweltbedingungen anpasst

29.02.2016

Modularer Aufbau des Genoms von Pseudomonas aeruginosa: Globale Transkriptionsfaktoren kombinieren verschiedene Sigmafaktoren zu funktionellen Gruppen.

© HZI/Eckweiler

Bakterien sind ständig wechselnden Umweltbedingungen ausgesetzt, an die sie sich anpassen müssen, um zu überleben. Das gelingt ihnen, indem sie die Produktion bestimmter Gene aktivieren. Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig haben nun gezeigt, dass sich Bakterien schneller und nachhaltiger anpassen, wenn sie sich an bereits bestehenden Bausteinen im Genom bedienen, anstatt dieses in Gänze nach Lösungen zu durchsuchen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher im Journal „Scientific Reports“.

Das Bakterium Pseudomonas aeruginosa ist ein gefürchteter Verursacher von im Krankenhaus erworbenen  Infektionen, die sehr schwer und oft sogar tödlich verlaufen können. Der Erreger ist ein echter Überlebenskünstler. Egal ob im Wasser oder am Boden, er passt sich extrem schnell an neue Umweltbedingungen an und kann auch unter Extrembedingungen überleben. „Wir haben nun einen wichtigen Mechanismus aufgeklärt, wie diese Anpassung so schnell und erfolgreich zustande kommt“, sagt Dr. Denitsa Eckweiler, Wissenschaftlerin in der von Prof. Dr. Susanne Häussler geleiteten Abteilung Molekulare Bakteriologie am HZI.

Um sich an neue Umweltbedingungen schnell und gut anpassen zu können, setzt der Keim auf die Optimierung einzelner Bausteine des Genoms, sogenannter Sigma-Faktoren. Diese Proteine spielen  eine entscheidende Rolle bei der Umsetzung genetischer Informationen, da sie das Umschreiben von DNA in ablesbare RNA – die Transkription – ermöglichen. Je nach herrschenden Umweltbedingungen werden von den Bakterien verschiedene Sigma-Faktoren produziert, die für unterschiedliche Gene spezifisch sind. „Die Sigma-Faktoren teilen die Gene in Gruppen ein und ordnen sie“, sagt Dr. Sebastian Binder, Wissenschaftler in der Abteilung System-Immunologie unter Leitung von Prof. Dr. Michael Meyer-Hermann am HZI. Welche Gene letztendlich abgelesen und aktiviert werden, entscheiden sogenannte Transkriptionsfaktoren.

„Wir konnten nun zeigen, dass Transkriptionsfaktoren diese Sortierung nutzen, um Gene zu finden und sich so an veränderte Umweltbedingungen anpassen“, sagt Eckweiler. „Sie wählen also die zu aktivierenden Gene nicht zufällig aus dem gesamten Genom aus, sondern optimieren gezielt bestimmte Bausteine aus dem vorsortierten Baukasten“. Das hat gleich zwei Vorteile. „Unser Modell zeigt, dass die Evolution dadurch nicht nur schneller voranschreitet, sondern auch besser gelingt“, sagt Binder. „Einen bestimmten Baustein zu optimieren scheint einfacher zu sein, als zu versuchen das gesamte Genom zu verbessern.“

Das Prinzip erklärt, warum sich das Bakterium so schnell an sich verändernde Bedingungen anpassen kann. „Damit haben wir einen wichtigen Schritt gemacht, um das Bakterium zu bekämpfen. Wenn wir den Mechanismus genau genug kennen, um ihn stören zu können, könnte das eventuell neue Ansätze für die Therapie bieten“, sagt Eckweiler.

 

Originalpublikation:

Sebastian C. Binder, Denitsa Eckweiler, Sebastian Schulz, Agata Bielecka, Tanja Nicolai, Raimo Franke, Susanne Häussler & Michael Meyer-Hermann. Functional modules of sigma factor regulons guarantee adaptability and evolvability. 2016 Feb 26. DOI: 10.1038/srep22212.

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