Gezielte Aktivierung statt Dauerbetrieb: Wie Bakterien Energie sparen und was das mit Antibiotikaresistenzen zu tun hat

Antibiotika-Resistenzen 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 mit Hilfe sogenannter Multiwirkstoffpumpen, die sehr unterschiedliche Substanzen erkennen und entfernen können. Eine besonders wichtige Gruppe bilden die sogenannten ABC-Transporter, die für diesen Prozess das Energieträger-Molekül ATP nutzen.

»Diese Transporter sind hocheffiziente molekulare Maschinen«, sagt Prof. Dr. Ute Hellmich, Professorin für Biomolekulare NMR-Spektroskopie an der Universität Jena, die das Forschungsprojekt im Exzellenzcluster »Balance of the Microverse« geleitet hat. »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, etwa so wie ein Ofen im Keller ein Zimmer im dritten Stock aufwärmen kann. »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 Antibiotika-Resistenzen

Verändern die Forschenden dieses Scharnier gezielt durch Mutationen, entkoppeln sich die beiden Prozesse: ATP wird zwar weiterhin verbraucht, der Wirkstoff jedoch nicht mehr transportiert. Damit liefern die Ergebnisse einen neuen mechanistischen Einblick in die Funktionsweise von Resistenzpumpen – und eröffnen potenzielle Ansatzpunkte für neue Antibiotika. »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.«