Wie Bakterien sich gegen Antibiotika wehren

Immer mehr bakterielle Krankheitserreger haben Mechanismen entwickelt, sich gegen die gängigen Antibiotika zur Wehr zu setzen. Hoch effizient sind beispielsweise Pumpen in der Bakterienmembran, die den Wirkstoff aus der Zelle hinaus befördern, noch bevor er die Membran durchquert hat.

Biochemiker des Frankfurter Exzellenzclusters „Makromolekulare Komplexe“ am Institut für Biochemie haben nun den Bauplan dieser Pumpen entschlüsselt. Zunächst analysierten sie die Mechanik der Nanomaschine ohne Bindung an ein Antibiotikum. Mithilfe hoch auflösender Röntgenstrukturanalyse haben sie jetzt auch herausgefunden, wie die Pumpe die Antibiotika einfängt und aus der Zelle befördert. Das geschieht bei Bakterien mit einer doppelten Zellmembran (gramnegativ) in der Schicht zwischen äußerer und innerer Membran.

Die Pumpe verändert ihre Gestalt in einem zyklischen Prozess. Im ersten Schritt wird das Antibiotikum auf dem Weg zum Zellinneren abgefangen und an einer taschenförmigen Bindungsstelle festgehalten. Dafür postulieren die Wissenschaftler einen Mechanismus ähnlich einer peristaltischen Pumpe: Die Antibiotika-Moleküle werden durch einen Tunnel nach außen gequetscht, so dass sie nicht zurückrutschen können. Die zweite, viel kräftigere Bindung in einer tiefen Bindungstasche verankert dann das Antibiotikum in der Pumpe. Dies bewirkt eine weitere Gestaltveränderung, welche einen weiteren Tunnel zur Außenseite öffnet und das Antibiotikum endgültig aus der Zelle entlässt.

Zwischen der ersten und zweiten Bindungstasche haben die Forscher zudem eine kleine Schleife beobachtet, die eine Schaltstelle bildet. Die Position dieser Schleife verändert sich, je nach dem ob das Antibiotikum in der ersten oder in der zweiten Tasche gebunden ist. Die genaue Funktion dieser Schleife wird zurzeit eingehend untersucht.

Literatur: Eicher, T., et al: Proc. Natl. Acad. Sci. 2012, Online: www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1114944109.