Forscher zeigen, wie Bakterien im Darm an Zellulosefasern haften

Forscher haben einen neuen molekularen Mechanismus entdeckt, durch den Bakterien im menschlichen Darm an Zellulosefasern haften. Dank zweier unterschiedlicher Bindungsmodi, sie halten den Scherkräften im Körper stand. Wissenschaftler der Universität Basel und der ETH Zürich haben ihre Ergebnisse in der Zeitschrift "Nature Communications" veröffentlicht. .

Zellulose ist ein wichtiger Baustein der pflanzlichen Zellwände, bestehend aus Molekülen, die zu festen Fasern verbunden sind. Für Menschen, Zellulose ist unverdaulich, und den meisten Darmbakterien fehlen die Enzyme, die zum Abbau von Zellulose erforderlich sind.

Jedoch, neuerdings genetisches Material des zelluloseabbauenden Bakteriums R. champanellensis wurde in menschlichen Darmproben nachgewiesen.

Die bakterielle Besiedelung des Darms ist für die menschliche Physiologie essenziell, und zu verstehen, wie Darmbakterien an Zellulose haften, erweitert unser Wissen über das Mikrobiom und seine Beziehung zur menschlichen Gesundheit.

Das untersuchte Bakterium nutzt ein kompliziertes Netzwerk von Gerüstproteinen und Enzymen an der äußeren Zellwand, als Zellulosomennetzwerk bezeichnet, an Zellulosefasern zu binden und abzubauen. Diese Zellulosomennetzwerke werden durch Familien interagierender Proteine ​​zusammengehalten.

Von besonderem Interesse ist die Cohesin-Dockerin-Interaktion, die für die Verankerung des Zellulosomennetzwerks an der Zellwand verantwortlich ist.

Diese Wechselwirkung muss Scherkräften im Körper standhalten, um an der Faser zu haften. Dieses wichtige Merkmal motivierte die Forscher, genauer zu untersuchen, wie der Verankerungskomplex auf mechanische Kräfte reagiert.

Durch eine Kombination aus Einzelmolekül-Rasterkraftmikroskopie Einzelmolekül-Fluoreszenz- und Molekulardynamik-Simulationen, Professor Michael Nash von der Universität Basel und der ETH Zürich untersuchte zusammen mit Mitarbeitern der LMU München und der Auburn University, wie der Komplex äußeren Kräften widersteht.

Zwei Bindungsmodi ermöglichen Bakterien das Anhaften an Oberflächen unter Durchfluss

Sie konnten zeigen, dass der Komplex ein seltenes Verhalten aufweist, das als dualer Bindungsmodus bezeichnet wird. wobei die Proteine ​​auf zwei verschiedene Arten einen Komplex bilden.

Die Forscher fanden heraus, dass die beiden Bindungsmodi sehr unterschiedliche mechanische Eigenschaften haben. wobei einer bei geringen Kräften von etwa 200 Piconewton bricht und der andere eine viel höhere Stabilität aufweist und nur bei 600 Piconewton Kraft bricht.

Weitere Analysen zeigten, dass der Proteinkomplex ein Verhalten zeigt, das als "Catch-Bond" bezeichnet wird. " Das bedeutet, dass die Proteinwechselwirkung mit zunehmender Kraft stärker wird.

Es wird angenommen, dass die Dynamik dieser Wechselwirkung es den Bakterien ermöglicht, unter Scherbelastung an Cellulose zu haften und den Komplex als Reaktion auf neue Substrate freizusetzen oder neue Umgebungen zu erkunden.

Wir beobachten deutlich die dualen Bindungsmodi, über ihre biologische Bedeutung kann nur spekuliert werden. Wir glauben, dass die Bakterien die Bindungsmoduspräferenz durch Modifikation der Proteine ​​​​kontrollieren könnten. Dies würde ein Umschalten von einem niedrigen zu einem hohen Adhäsionszustand je nach Umgebung ermöglichen ."

Michael Nash, Professor, Universität Basel

Durch die Aufklärung dieses natürlichen Adhäsionsmechanismus Diese Erkenntnisse ebnen den Weg für die Entwicklung künstlicher molekularer Mechanismen, die ein ähnliches Verhalten zeigen, aber an Krankheitsziele binden.

Solche Materialien könnten in biobasierten medizinischen Sekundenklebern oder zur scherverstärkten Bindung von therapeutischen Nanopartikeln im Körper Anwendung finden. "Zur Zeit, Wir sind gespannt, ins Labor zurückzukehren und zu sehen, was klebt, “, sagt Nash.

• Alarmine sind das Gold in der Muttermilch
• Menschliche Darmmikroben spielen eine wichtige Rolle bei der Erhaltung der Gesundheit