In vitro Rekonstitution der bakteriellen Zellteilung

Bakterielle Zellen haben einen genau definierten inneren Aufbau. Ihre Komponenten bilden am richtigen Ort und zur richtigen Zeit komplexe Strukturen, die für Wachstum und Teilung der Zelle verantwortlich sind. Da Bakterien allerdings sehr klein sind, ist es nur sehr schwer möglich, diese Strukturen in der lebenden Zelle zu untersuchen. Wir wissen somit momentan sehr wenig über die genaue Anordnung der einzelnen Bausteine in der Zelle, wie sie zusammenkommen und wie sie ihre jeweilige Funktion erfüllen. Beispielsweise wird die Teilung der bakteriellen Zelle von einer komplizierten, aus mehreren zusammenarbeitenden Teilen bestehenden Maschinerie durchgeführt. Diese Maschine ist von außerordentlicher Bedeutung für das Überleben der Zelle. Viele Antibiotika wurden entwickelt, die Funktion dieser Struktur zu unterbinden und damit Krankheitserreger zu töten. Doch trotz der wichtigen Rolle der Zellteilungsmaschinerie wissen wir immer noch sehr wenig darüber, wie aufgebaut ist und wie sie funktioniert. In diesem Forschungsprojekt werden wir die Zellteilungsmaschinerie aus ihren einzelnen Komponenten neu zusammenbauen, anstatt sie in der lebenden Stelle zu untersuchen. Wir werden die einzelnen Bausteine isolieren und mit Hilfe von hoch-auflösender Mikroskopie untersuchen, wie sie wieder zu einer intakten Struktur zusammenfinden. Mit unserem experimentellen Ansatz können wir nicht nur die Reaktionsbedingungen genau kontrollieren, wir erhalten auch die Möglichkeit die Eigenschaften und das Verhalten der Komponenten im Detail zu charakterisieren und damit Informationen, die mit anderen Methoden nicht zugänglich sind. Wir somit in der Lage sein besser zu verstehen, wie sich diese komplizierte Maschine aufbaut und wie sie es schafft die Zelle zu teilen.

Bakterien verfügen, ähnlich wie menschliche Zellen, über eine komplexe innere Struktur. Ihre winzige Größe macht es jedoch besonders schwierig herauszufinden, wie die inneren Bausteine zusammenarbeiten. Dies ist besonders wichtig um zu verstehen, wie Bakterien sich teilen - ein Prozess, der auch wichtiges Ziel für Antibiotika darstellt. In unserem Projekt haben wir uns dieser Herausforderung gestellt, indem wir Teile der bakteriellen Zellteilungsmaschinerie außerhalb lebender Zellen nachgebaut haben. Mithilfe isolierter Komponenten konnten wir so das Verhalten einiger wichtiger Proteine rekonstruieren, die an diesem Prozess beteiligt sind: FtsZ, ein Tubulin-ähnliches Protein; FtsA, ein Aktin-verwandtes Protein; und einen Teil von FtsN, einem Protein, das für die Aktivierung der Teilungsmaschinerie essenziell ist. Gemeinsam bilden diese Proteine dynamische Filamente auf der Zellmembran, die sich zu einer Struktur namens Z-Ring organisieren. Dieser Ring ist entscheidend für die bakterielle Zellteilung, da er die Aktivität der Proteine koordiniert, die die Zellwand der Bakterien bei ihrer Teilung umbauen. Um zu verstehen, wie sich diese Proteine selbst organisieren, haben wir neue experimentelle Methoden verwendet und wichtige Erkenntnisse gewinnen können: 1. Das Verhalten von FtsA auf Membranen: Wir haben untersucht, wie FtsA an Membranen bindet, wie lange es dort verbleibt und wie es mit sich selbst interagiert, um größere Komplexe, sogenannte Oligomere, zu bilden. Besonders wichtig ist, dass wir herausgefunden haben, dass FtsN eine zentrale Rolle bei der Förderung dieser Oligomerisierung spielt. 2. Das Verhalten von FtsZ-Filamenten: Mithilfe neuer Mikroskopietechniken konnten wir das dynamische Verhalten von FtsZ-Filamenten mit einer bisher unerreichten räumlichen und zeitlichen Auflösung beobachten. Unsere Experimente zeigen, dass FtsZ-Filamente keine stabilen Bündel bilden, sondern nur kurzzeitig miteinander interagieren. Zudem entdeckten wir, dass die Flexibilität und Dichte dieser Filamente beeinflussen, wie sie sich gegenseitig organisieren. 3. Ein selbstorganisierender Z-Ring: Unsere experimentellen Daten stützen ein theoretisches Modell, das vorhersagte, dass FtsZ-Filamente ein sogenanntes "Treadmilling" durchlaufen - ein Prozess, bei dem ein Ende des Filaments wächst, während das andere schrumpft. Dieses Treadmilling sorgt dafür, dass falsch ausgerichtete Filamente verschwinden, was letztendlich zur Bildung des Z-Rings im Zentrum der teilenden Zelle führt. Wir konnten so neue wichtige Informationen über die bakterielle Zellteilung gewinnen, was auch zur Entwicklung neuartiger Antibiotika beitragen kann, die diesen Prozess gezielt stören. Darüber hinaus stellt unsere Arbeit einen wichtigen Schritt in Richtung einer vollständigen Rekonstruktion der bakteriellen Zellteilung im Reagenzglas dar - ein Meilenstein, der die Erforschung der bakteriellen Physiologie revolutionieren könnte.