Wissenschaftler in Großbritannien haben die schärfsten Bilder von lebenden Bakterien aller Zeiten gemacht und die äußere Schutzschicht hervorgehoben, die manche so schwer abzutöten macht.
Die Fotos zeigen, dass Gram-negative Bakterien, die eine schützende äußere Membran haben, nicht gleichmäßig undurchdringlich sind – sie haben tatsächlich stärkere und schwächere Stellen auf ihrer Oberfläche.
Bei diesen Bakterien besteht die äußere Membran aus dichten Netzwerken von Proteinbausteinen.
Dazwischen befinden sich jedoch proteinfreie „Patches“ von Zuckerketten, die als Glykolipide bekannt sind.
Die harte äußere Membran gramnegativer Bakterien verhindert das Eindringen von Antibiotika in die Zellwand, was die antimikrobielle Resistenz von Bakterien wie Salmonellen und E. coli zu einer solchen Gefahr macht.
Das Wissen, dass es “kleine Lücken bei Pflastern, die kein Protein enthalten” gibt, deutet darauf hin, dass es anfällige Stellen geben könnte, die von Antibiotika angegriffen werden können, sagte Co-Autor Bart Hoogenboom, ein Biophysiker am University College London, in einer Erklärung.
Die heute in Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichte Studie wurde von Hoogenbooms Team am UCL zusammen mit Forschern des National Physical Laboratory, des King’s College London, der University of Oxford und der Princeton University durchgeführt.
“Die äußere Membran ist eine beeindruckende Barriere gegen Antibiotika und ein wichtiger Faktor, um infektiöse Bakterien gegen eine medizinische Behandlung resistent zu machen”, fügte Hoogenboom hinzu.
“Es bleibt jedoch relativ unklar, wie diese Barriere aufgebaut ist, weshalb wir uns entschieden haben, sie so detailliert zu untersuchen.”
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Die Forscherin Georgina Benn hat die gesamte Oberfläche eines E. coli-Bakteriums mit einer Auflösung von weniger als fünf Nanometern oder etwa 1/10.000 der Dicke eines menschlichen Haares abgebildet.
Georgina Benn, eine Forscherin in Hoogenbooms Labor, strich mit einer winzigen, nur wenige Nanometer breiten Nadel über lebende E. coli-Bakterien.
Das als Rasterkraftmikroskopie bekannte Verfahren ermöglichte es ihr, molekulare Strukturen auf der Oberfläche des Organismus sichtbar zu machen.
Benn gelang es, die gesamte Oberfläche eines E. coli-Bakteriums „mit einer erstaunlich hohen Auflösung von weniger als fünf Nanometern“ abzubilden, laut ZME Science, etwa 1/10.000 der Dicke eines menschlichen Haares.
„Es gibt keinen einzigen wichtigen Durchbruch, der es uns ermöglicht hat, dieses Bild aufzunehmen; Stattdessen resultierte es aus der Optimierung einer ganzen Reihe von Dingen, die hierin eingeflossen sind“, sagte Hoogenboom gegenüber ZME Science.
Die harte äußere Membran gramnegativer Bakterien wie E. Coli (im Bild) verhindert, dass Antibiotika in ihre Zellwände eindringen. Aber die neuen Bilder deuten darauf hin, dass es sich um “Ritzen in der Rüstung der Bakterien” handelt, sagten die Forscher
„Ich vergleiche das gerne mit Kochen“, fügte er hinzu. „Ein exquisites Gericht hängt nicht nur von der Zugabe von zusätzlichem Salz oder Pfeffer ab, sondern von einer wohlüberlegten Auswahl und ausgewogenen Mischung mehrerer hochwertiger Zutaten. Und obwohl ich natürlich voreingenommen bin, denke ich, dass diese Bilder definitiv einen Michelin-Stern verdienen!’
Das Team wusste bereits, dass die äußere Membran dicht ist, aber die resultierenden Bilder zeigten, dass sie mit mikroskopischen Löchern vollgestopft ist, die von Proteinen gebildet werden.
Diese Löcher lassen Nährstoffe ein, während sie Giftstoffe fernhalten, sagten die Forscher.
Bart Hoogenboom, Professor für Biophysik an der UCL, leitete das Team, das die E. Coli-Bakterien fotografierte
“Das Lehrbuchbild der bakteriellen Außenmembran zeigt Proteine, die ungeordnet über die Membran verteilt sind, gut vermischt mit anderen Bausteinen der Membran”, sagte Benn in der Mitteilung.
Diese Fotos widerlegen dies, fügte sie hinzu, und zeigten, dass die Lipidflecken von den Proteinnetzwerken getrennt sind, “genau wie Öl sich von Wasser trennt und in einigen Fällen Risse in der Panzerung der Bakterien bildet”.
Benn sagte, die Ergebnisse bedeuten, dass Wissenschaftler “mit der Untersuchung beginnen können, ob und wie eine solche Reihenfolge für die Membranfunktion, Integrität und Antibiotikaresistenz von Bedeutung ist”.
Laut CDC erkranken allein in den USA mindestens 2,8 Millionen Menschen an einer antibiotikaresistenten Infektion, und mehr als 35.000 Menschen sterben daran.
Je mehr Antibiotika zur Behandlung bakterieller Infektionen eingesetzt werden, desto weniger wirksam werden sie.
Die atemberaubenden Fotos könnten auch erklären, wie Bakterien eine so dichte Schutzschicht haben können und trotzdem schnell wachsen. (Unter optimalen Bedingungen verdoppelt sich die Größe von E. coli und teilt sich alle 20 Minuten.)
Die proteinfreien Pflaster könnten mehr Nachgeben ermöglichen, was das Wachstum der Membran erleichtert.