Wie Bakterien Energie sparen und was das mit Antibiotikaresistenzen zu tun hat

Forschende haben einen zentralen Mechanismus bakterieller Transporter entschlüsselt, die Antibiotika aus der Zelle pumpen. Die Ergebnisse liefern neue Ansätze gegen Antibiotikaresistenzen.

Antibiotikaresistenzen zählen zu den größten globalen Gesundheitsrisiken. Ein Forschungsteam der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat nun einen bislang unbekannten Mechanismus aufgeklärt, mit dem bakterielle Transportproteine den Energieverbrauch präzise mit dem Ausstoß von Antibiotika koppeln. Die Ergebnisse liefern neue Ansatzpunkte, um Resistenzen gezielt zu schwächen. Die Studie ist im Fachjournal Nature Communications erschienen.

Wie Bakterien Antibiotika aus der Zelle befördern

Viele Bakterien entziehen sich der Wirkung von Antibiotika, indem sie diese aktiv aus der Zelle hinauspumpen. Das tun sie mithilfe von Multiwirkstoffpumpen, die sehr unterschiedliche Substanzen erkennen und entfernen können. Eine besonders wichtige Gruppe bilden die ABC-Transporter. Diese nutzen für den Prozess das Energieträger-Molekül.

„Diese Transporter sind hocheffiziente molekulare Maschinen“, erläutert Prof. Ute Hellmich, Professorin für Biomolekulare NMR-Spektroskopie an der Universität Jena. Sie hat das Forschungsprojekt im Exzellenzcluster „Balance of the Microverse“ geleitet. „Sie sorgen dafür, dass Antibiotika gar nicht erst dort ankommen, wo sie eigentlich Schaden anrichten sollen.“

Bisher war jedoch unklar, wie bestimmte Prozesse in diesen Transportern koordiniert werden: die Bindung des Antibiotikums einerseits und die Bindung sowie der Verbrauch von ATP andererseits – denn diese beiden Prozesse finden räumlich weit voneinander entfernt statt. „Energie zu verbrauchen, ohne ein Antibiotikum zu transportieren, wäre für die Zelle extrem ineffizient“, erläutert Hellmich. „Umgekehrt nützt es nichts, ein Antibiotikum zu binden, wenn der Transport nicht ausgelöst wird.“

Ein molekulares „Kommunikationsscharnier“

In ihrer aktuellen Studie konnten die Forschenden erstmals zeigen, dass beide Prozesse bidirektional miteinander gekoppelt sind. Entscheidend ist dabei ein kleines Set bestimmter Aminosäuren im Transportprotein, das wie ein molekulares Kommunikationsscharnier wirkt. Dieses Scharnier registriert, ob sowohl ATP als auch ein Antibiotikum gebunden sind, und koordiniert daraufhin gezielt den Energieverbrauch und den Transport.

„Man kann sich das wie eine Sicherheitsabfrage vorstellen“, sagt Hellmich. „Nur wenn beide Signale gleichzeitig vorliegen, schaltet die Pumpe in den aktiven Modus. So verhindert die Zelle, dass wertvolle Energie verschwendet wird.“

Ansatzpunkte gegen Antibiotikaresistenzen

Verändern die Forschenden dieses Scharnier gezielt durch Mutationen, entkoppeln sich die beiden Prozesse: Die Pumpe verbraucht zwar weiterhin ATP, transportiert den Wirkstoff jedoch nicht mehr. Damit liefern die Ergebnisse einen neuen mechanistischen Einblick in die Funktionsweise von Resistenzpumpen – und eröffnen potenzielle Ansatzpunkte gegen Antibiotikaresistenzen.

„Wenn es gelingt, diese interne Kommunikation in der der Antibiotikapumpe gezielt zu stören, könnten bestehende Antibiotika wieder wirksamer werden“, so Hellmich. „Das ist ein spannender Ansatz im Kampf gegen multiresistente Keime.“