Ribosomen Heterogenität durch verkürzte r-Proteine

Proteine sind die Bausteine einer Zelle. Um ein Protein herzustellen, wird die dafür entsprechende genetische Information auf der DNA auf einen Zwischenspeicher (die RNA) kopiert. Ein enormer Komplex namens Ribosom liest die kopierte Information auf der RNA und verknüpft anhand des genetischen Codes unterschiedliche Aminosäuren um das gewünschte Protein herzustellen. Ribosomen sind folglich essentiell für das Überleben aller zellulären Lebensformen. Interessanterweise bestehen Ribosomen unter anderem ebenfalls aus Proteinen. Sie stellen sich also gewissermaßen selbst her. Für eine lange Zeit dachte man, dass alle Ribosomen einer Zelle gleich sind. Mittlerweile hat man aber entdeckt, dass das nicht zwingend der Fall ist. Neuere Forschung zeigte, dass die einzelnen Bauteile der Ribosomen teilweise dynamisch angepasst werden können um die Herstellung spezifischer Proteine zu regulieren. In dem vorliegenden Projekt wollen wir untersuchen, ob eine ähnliche dynamische Regulierung der Ribosomen in Bakterien geschieht. Genauer gesagt, ist unsere Forschungshypothese, dass verkürzte Varianten der normalen ribosomalen Proteine unter gewissen harschen Stressbedingungen hergestellt und in Ribosomen eingebaut werden. Die Erforschung der Auswirkungen dieser angepassten Ribosomen auf das Überleben der bakteriellen Zellen unter eben diesen Stressbedingungen wird folglich wesentlich zu unserem Verständnis der Stressregulation auf der Ebene der Proteinsynthese beitragen.

Proteine sind die Bausteine aller Zellen. Ihre Herstellung beginnt damit, dass genetische Information von der DNA auf RNA übertragen wird. Enorme Komplexe namens Ribosomen lesen diese Information und verknüpfen dabei Aminosäuren zu Proteinen. Dies macht sie essentiell für das Überleben aller zellulären Lebensformen. Da Ribosomen selbst teilweise aus Proteinen bestehen, produzieren sie interessanterweise einen Teil ihrer eigenen Bestandteile. Basierend auf vorherigen Daten unserer Arbeitsgruppe untersuchten wir in diesem Projekt, ob Bakterien unter Stress alternative Ribosomen bilden können. Unsere Hypothese war, dass verkürzte Varianten ribosomaler Proteine bei starken Belastungen entstehen und zum Überleben beitragen. Ein solcher auch für uns Menschen äußerst relevanter Stress ist die Bekämpfung der Bakterien mittels Antibiotika wie zum Beispiel Ampicillin, dass die Zellwand nicht-resistenter Bakterien zerstört und sie somit platzen lässt. Allerdings gibt es immer einen kleinen Prozentsatz an Bakterien, die die Behandlung überleben und zu Resistenzen beitragen. Diese Bakterien nennen wir persistent. Tatsächlich konnten wir beobachten, dass bakterielle Zellen nach der Behandlung mit Ampicillin eine verkürzte Variante des ribosomalen Proteins L2 herstellen (tL2). Eine frühere Studie einer Forschungsgruppe aus den USA hatte vermutet, dass eben dieses tL2 das bakterielle Wachstum regulieren kann. Durch Anwendung rigoroser Kontrollen bei unseren Untersuchungen, ob tL2 wirklich zum Überleben der Persister beiträgt, zeigte sich, dass bisher veröffentlichte Protokolle zur Isolation von den intakten überlebenden Bakterien nicht ausreichend sind und auch Proteine von abgetöteten Zellen mit aufgereinigt werden. In weiteren Experimenten haben wir das bestehende Protokoll erfolgreich optimiert und konnten eindeutig zeigen, dass auch ribosomales Protein L2 nach der Zerstörung der Zelle durch Ampicillin freigesetzt und extrazellulär zu tL2 prozessiert wird. Somit trugen wir einen wichtigen Teil zur Forschung an persistenten Zellen bei und zeigten, dass es sich bei tL2 um ein Artefakt handelt und es nicht zum Überleben von persistenten Zellen beitragen kann. Obwohl wir unsere grundsätzliche Hypothese noch nicht bestätigen konnten, haben wir weiters die ca. 50 verbleibenden ribosomalen Proteine mit Hilfe unseres optimierten Protokolls systematisch durchgetestet und einige interessante Kandidaten identifiziert, die tatsächlich auch innerhalb der Persisterzellen verkürzt sind. Weitere Untersuchungen, ob und wie diese kürzeren ribosomalen Proteine zum Überleben der Bakterien beitragen, werden zurzeit in unserer Arbeitsgruppe durchgeführt. Zusammenfassend zeigt dieses Forschungsprojekt auch exemplarisch auf, wie wissenschaftliche Arbeit durchgeführt werden soll. Prozesse werden fortlaufend optimiert, Ergebnisse kritisch geprüft und Erkenntnisse schrittweise erweitert, bis sich durch viele Beiträge verschiedener Forschungsgruppen ein immer genaueres Gesamtbild ergibt.