Pseudomonas aeruginosa: Protein in Schwarzarbeit macht Krankenhauskeim erst gefährlich

Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) hat einen möglichen Ansatzpunkt für neue Therapien bei Infektionen mit Pseudomonas aeruginosa gefunden.

Das Bakterium P. aeruginosa ist ein weit verbreiteter gefährlicher Krankenhauskeim. Er befällt Atemwege und Lunge und ist von Natur aus gegen zahlreiche Antibiotika resistent. Um künftig besser gegen ihn vorgehen zu können, wird zum Beispiel nach Pathoblockern gesucht. Dabei steht nicht wie bei einer antibiotischen Behandlung das Abtöten des Erregers im Fokus, sondern das gezielte Ausschalten oder Abschwächen seiner krankmachenden Wirkung. Bei einer Infektion mit P. aeruginosa ist es unter anderem das blaugrünliche Stoffwechselprodukt Pyocyanin, das zur Entstehung entzündlicher Prozesse beiträgt und gewebeschädigend wirkt. Könnte man seine Herstellung mittels eines Pathoblockers verhindern, wäre eine Infektion weniger schwerwiegend. Doch dafür müssen zunächst die genauen molekularen Mechanismen verstanden werden, die innerhalb der Bakterienzelle für die Herstellung von Pyocyanin verantwortlich sind.

Dem Forschungsteam um Prof. Wulf Blankenfeldt, Leiter der Abteilung „Struktur und Funktion der Proteine“ am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig, ist es nun mithilfe moderner proteinbiochemischer Analyseverfahren gelungen, das Zusammenspiel von Proteinen, die für die Produktion von Pyocyanin notwendig sind, im Detail weiter aufzudecken. Dabei hat er die zentrale Funktion eines Proteins namens PqsE als „Schwarzarbeiter“ aufklären können. Die Studie ist in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Nature Communications“ erschienen.

Mit dem weit verbreiteten bakteriellen Erreger könne man sich nahezu überall infizieren, erklärt Blankenfeldt. „Er mag feuchte Umgebung – und da gibt es eben ziemlich viele Orte, wo er vorkommen kann: in der Natur etwa in Böden oder Gewässern. Aber er fühlt sich auch in Leitungswasser, Waschbecken, Spülmaschine, Dusche oder Toilette wohl, wo man sich bei nicht hundertprozentigen Hygienemaßnahmen leicht infizieren kann. Und er ist auch von Mensch zu Mensch übertragbar. Für Personen mit geschwächtem Immunsystem oder schweren Atemwegserkrankungen wie Mukoviszidose oder Chronisch-obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) kann eine Infektion tatsächlich sehr gefährlich und mitunter lebensbedrohlich sein. Als Krankenhauskeim hat es P. aeruginosa daher leider zu trauriger Berühmtheit gebracht.“

Warum bei P. aeruginosa viele Antibiotika nicht wirken, erklärt Blankenfeldt so: „P. aeruginosa kann Fremdstoffe wie Medikamente gezielt aus seinem Zellinneren ausschleusen und gehört außerdem zu den Bakterien, die einen sogenannten Biofilm ausbilden. Die Bakterien sind dann von einer Art Schleimschicht umgeben, die ihnen Schutz bietet – unter anderem eben leider auch vor Antibiotika. Daher ist P. aeruginosa von Natur aus gegen eine große Zahl von Antibiotika resistent und schwer zu bekämpfen. Die Entwicklung effektiver Pathoblocker, die die Schlagkraft des Erregers eindämmen oder ausschalten könnten, wäre hier tatsächlich ein Segen.“

Günstig wäre es, das gewebeschädigende Stoffwechselprodukt Pyocyanin auszuschalten, das der Erreger herstellt. Welche Rolle spielen dabei die in der Studie von Blankenfeldts Arbeitsgruppe untersuchten Proteine? „Pyocyanin wird erst gebildet, wenn die für die Herstellung erforderlichen Gene abgelesen werden“, erklärt der Wissenschaftler. „Und dieser Ableseprozess wird durch ein Zusammenspiel verschiedener Proteine kontrolliert. Im Zentrum steht dabei ein Protein mit dem Kurznamen RhlR. Bekannt war bereits, dass RhlR die Genablesung erst startet, wenn zuvor das Signalmolekül C4-HSL den Startschuss gibt und an RhlR bindet. Doch ob und vor allen Dingen wie in dieser Signalkaskade womöglich noch weitere Proteine ihre Finger mit im Spiel haben, war bisher nicht richtig verstanden.“

Bereits vor rund 20 Jahren hatten Blankenfeldt und sein Team damit begonnen, sich mit einem Protein namens PqsE zu beschäftigen, das mit der Erzeugung von Pyocyanin in Verbindung gebracht wurde. „Wir konnten damals unter anderem seine Kristallstruktur aufklären. Und vor etwa fünf Jahren konnten wir dann in Laboruntersuchungen erstmals Hinweise dafür gewinnen, dass das eigentlich recht instabile Protein RhlR durch Bindung an PqsE stabilisiert wird. Dass PqsE damit womöglich auch direkt in die Aktivierung der Pyocyanin-Gene involviert sein könnte, war für mich seither naheliegend – aber ich konnte es ihm nicht nachweisen.“

Dies ist nun in der aktuell publizierten Studie gelungen – auch mithilfe hochmoderner computergestützter Methoden, die erst vor kurzer Zeit entwickelt wurden, wie Blankenfeldt erklärt. „Früher wäre das so gar nicht möglich gewesen. Wir haben am Computer mit einem Programm aus Israel ein künstliches RhlR-Protein entworfen, das von sich aus stabil sein und gleichzeitig seine volle Funktion bei der Genablesung behalten sollte. Den DNA-Bauplan dafür haben wir dann von einer Firma herstellen lassen und anschließend das künstliche Protein bei uns untersucht. In unserer Studie haben wir getestet, ob das stabilisierte, synthetische RhlR auch in Abwesenheit von PqsE in der Lage ist, die Genablesung zur Herstellung von Pyocyanin zu starten. Und siehe da: Genau das war der Fall! In Vergleichsversuchen dagegen konnte das natürliche RhlR in Abwesenheit von PqsE die Gene nicht ablesen, und es wurde kein Pyocyanin gebildet. Damit konnten wir zeigen, dass für den Ableseprozess ein stabiles RhlR notwendig ist – und dass dafür das Protein PqsE verantwortlich ist, indem es sich mit RhlR zu einem Komplex zusammentut.“

PqsE sei aufgrund seiner in Laborversuchen nachgewiesenen Eigenschaften als Enzym – das sind Proteine, die (bio)chemische Prozesse beschleunigen – in die Gruppe der sogenannten Thioesterasen eingeteilt worden, fährt der Forscher fort. „Daher vermutete man eigentlich, dass seine Fähigkeiten als Enzym auch im Zusammenhang mit Pyocyanin in irgendeiner Weise zum Tragen kommen. Doch die stabilisierende Wirkung, die PqsE auf RhlR ausübt, hat überhaupt nichts mit seiner Fähigkeit als Enzym zu tun. PqsE hat uns da tatsächlich ziemlich lange aufs Glatteis geführt. Doch seinen Schwarzarbeiterjob als Stabilisator von RhlR konnten wir nun zum Glück zur Anzeige bringen – und können ihn künftig vielleicht sogar unterbinden.“

Und wie geht es nun weiter? Blankenfeldt erklärt: „Mit modernen Methoden wie der Proteinkristallographie konnten wir in unserer Studie ja auch den RhlR-PqsE-Proteinkomplex in 3D darstellen. Das ist eine hervorragende Grundlage, um gemeinsam mit unseren Kolleginnen und Kollegen am HZI nach Wirkstoffen zu fahnden, die diese Interaktion zielgerichtet stören und als Pathoblocker eingesetzt werden könnten. Wir arbeiten bereits an einem Screeningverfahren und hoffen, dass wir mit unserer zukünftigen Forschung weiter dazu beitragen können, Ansätze für Therapien zu finden, die bei Pseudomonas-Infektionen erfolgreich eingesetzt werden können.“

 

Beitrag basierend auf einem von Nicole Silbermann geführten Interview.