Forschungsbericht 2020 - Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie

Lichtgesteuerte Injektion im Mikromaßstab

Autoren
Diepold, Andreas
Abteilungen
Abteilung Ökophysiologie
Zusammenfassung
Bakterien, beispielsweise Salmonellen oder Yersinien, schießen mit winzigen „Injektionsnadeln“ Proteine in ihre Wirtszellen. Schon seit längerem arbeiten Forscherinnen und Forscher daran, mithilfe eines solchen bakteriellen Injektionsapparates ausgewählte Proteine in Eukaryonten-Zellen einzuschleusen. Der Einbau eines optogenetischen Schalters ermöglicht es jetzt, das Injektionssystem mittels Lichtreizen zu steuern. Dies ermöglicht den zielgenauen Einsatz in biotechnologischen oder medizinischen Anwendungen.

Einleitung

Sobald Bakterien wie beispielsweise Salmonella oder Yersinia bei einem Menschen Fieber, Durchfall oder Bauchschmerzen verursachen, sind winzige „Injektionsnadeln“ am Werk: Das sogenannte Typ 3-Sekretionssystem, kurz T3SS, schießt Virulenzproteine der Bakterien direkt in die Wirtszellen. Da viele Bakterien das T3SS für eine Infektion benötigen, ist es ein Ansatzpunkt für mögliche Therapeutika, die dessen Funktionsfähigkeit beeinträchtigen und damit Infektionen verhindern könnten. Auf der anderen Seite bietet das T3SS die Chance, ähnlich einem trojanischem Pferd Proteine nach Wahl in eukaryotische Zellen einzuschleusen. Der Transfer von Proteinen durch das T3SS ist schnell und effizient: Eine einzelne Nadel kann in wenigen Sekunden Tausende Effektoren in eine Wirtszelle übertragen [1].

So schlagkräftig das T3SS-Injektionssystem jedoch ist, so ungenau arbeitet es - zum Leidwesen der Forschenden. Denn sobald das T3SS in Kontakt mit einer Wirtszelle kommt, feuert es seine Ladung ab. Das ist ungünstig für Anwendungen in der Biotechnologie oder Medizin, da man dort in der Regel ganz bestimmte Zelltypen im Visier hat, zum Beispiel in der Tumortherapie. Unserem Team gelang es nun, das T3SS-Injektionssystem dank eines optogenetischen Verfahrens vollständig durch Lichteinstrahlung von außen zu steuern, sodass Proteine nur zu einem präzisen Zeitpunkt und an einem genau bestimmten Ort in Zellen injiziert werden können.

Durch einen optogenetischen Schalter lassen sich Proteine zielgenau in Zellen einschleusen 

Abb. 1: Funktionsweise des LITESEC-Systems. Im Dunkeln (links) ist eine T3SS-Komponente, die für die Injektion notwendig ist (rot), an der Membran des Bakteriums verankert. Sobald das Bakterium beleuchtet wird (rechts), wird die Komponente freigegeben, das T3SS wird aktiv und Proteine können in die Wirtszelle (oben) injiziert werden.

Die Chance zur Entwicklung eines optogenetischen Ansatzes bot die Erkenntnis, dass bestimmte Komponenten des T3SS mobil sind und sich ständig zwischen T3SS und dem Zellinneren austauschen. Dies verbanden wir mit der Möglichkeit einer optogenetischen Steuerung - einer noch relativ jungen biotechnologischen Methode, die unter anderem auch in der Neurobiologie angewendet wird. Das Prinzip dieser Technik: Protein-Interaktionen lassen sich innerhalb von Millisekunden steuern, indem man die Konformation der beteiligten Proteine durch Lichtreize bestimmter Wellenlängen ändert. Dies erlaubt eine schnelle und spezifische Kontrolle molekularer Abläufe in biologischen Systemen [2].

Für die lichtgesteuerte Proteininjektion verknüpften wir eine dynamische T3SS-Komponente mit einem Bestandteil eines optogenetischen, lichtabhängigen Interaktionsschalters und verankerten den anderen Teil in der bakteriellen Membran. Wenn man nun Bakterien in Kontakt mit Wirtszellen bringt und nachfolgend an der gewünschten Position und zum gewünschten Zeitpunkt gezielt mit blauem Licht beleuchtet, lässt sich die Verfügbarkeit der dynamischen T3SS-Komponente, und damit das T3SS, ein- und ausschalten (Abb. 1). Unsere Forschergruppe nannte diese Neuentwicklung LITESEC-T3SS: Light-induced translocation of effectors through sequestration of endogenous components of the T3SS, zu Deutsch: Lichtgesteuerte Translokation von Effektoren durch Kontrolle natürlicher Komponenten des T3SS [3].

Auf dem Weg zur Tumortherapie

Abb. 2: Krebszellen wurden mit LITESEC-Bakterien inkubiert, die ein pro-apoptotisches Protein injizieren und so zum Zelltod führen. Nur bei Beleuchtung (rechts) sind nach einer Stunde viele sternförmige tote Krebszellen zu sehen.

Da die Beladung des Systems mit den zu injizierenden Proteinen sehr flexibel ist, kann es vielseitig eingesetzt werden. In einer Zusammenarbeit mit dem Institut für molekulare Onkologie der Philipps-Universität Marburg nutzten wir das neue System bereits, um Tumorzellen in Zellkultur zu töten (Abb. 2). Basierend auf diesem Erfolg wollen wir unsere Technik jetzt sowohl für die Grundlagenforschung, zum Beispiel für ein besseres Verständnis des T3SS, als auch für die Entwicklung weiterer Anwendungen nutzen. Des Weiteren wollen wir versuchen, ähnliche bakterielle Injektionssysteme durch Licht zu steuern und eine Aktivierung durch rotes und infrarotes Licht zu ermöglichen, da dieses Licht das menschliche Gewebe besser durchdringt und so beispielsweise die Behandlung tieferliegender Tumore ermöglichen könnte.

Literaturhinweise

1.
Ittig, S.J.; Schmutz, C.; Kasper, C.A.; Amstutz, M.; Schmidt, A.; Sauteur, L.; Vigano, M.A.; Low, S.H.; Affolter, M.; Cornelis, G.R.; Nigg, E.A.; Arrieumerlou, C.
A bacterial type III secretion-based protein delivery tool for broad applications in cell biology
Journal of Cell Biology 211, 913–931 (2015)
2.
Deisseroth K.
Optogenetics
Nature Methods 8, 26–29 (2011)
3.
Lindner, F.; Milne-Davies, B.; Langenfeld, K.; Stiewe, T.; Diepold, A.
LITESEC-T3SS - Light-controlled protein delivery into eukaryotic cells with high spatial and temporal resolution
Nature Communications 11: 2381 (2020)
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