Eine tödliche Allianz

Max-Planck-Forscher entschlüsseln, wie Fadenwürmer und Bakterien gemeinsam Jagd auf Insektenlarven machen

1. März 2010

Manche Fadenwürmer leben mit dem Bakterium Photorhabdus luminescens in einer Symbiose zusammen. Sie benutzen die Mikroorganismen und ihre Gifte, um ihre Beute zu töten - beide profitieren dadurch von einem fürstlichen Mahl. Ein Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie in Dortmund hat zusammen mit Forschern der Universität Freiburg und der Firma Dow AgroSciences erstmals die Funktionsweise der von dem Bakterium produzierten Toxine entschlüsselt: Durch Veränderung des Zellskeletts von Zellen des Wirtes behindern die Gifte die normale Zellfunktion und die Immunabwehr. Da auch manche menschlichen Krankheitserreger ähnliche Substanzen produzieren, tragen die Forschungsergebnisse auch zum Verständnis und zur Therapie von Krankheiten beim Menschen bei. (Science, 26. Februar 2010)

Galleria mellonella (Große Wachsmotte) infiziert mit Photorhabdus luminescens. (A) Larven der Großen Wachsmotte nach Infektion mit P. luminescens. Links: nicht-infiziert. Mitte: nach 24 Stunden. Rechts: nach 48 Stunden. (B) Biolumineszenz von P. luminescens. Nach der Infektion der Insektenlarven beginnt P. luminescens zu leuchten.

Die Fadenwürmer werden mit ihren Bakterien vielfach in der Landwirtschaft oder im Gartenbau als biologische Insektizide eingesetzt. Denn für im Boden lebende Insektenlarven ist die Symbiose zwischen den Würmern und dem Bakterium Phatorhabdus luminescens und den Fadenwürmern tödlich: Die zwei bis drei Millimeter langen Würmer dringen in die Larven hauptsächlich durch Mund und After ein, wo sie ihre Bakterien gewissermaßen herauswürgen. Die Bakteriengifte töten befallene Insekten meist innerhalb von 48 Stunden und schaffen so ein großes Nahrungsreservoir für die Vermehrung von Fadenwürmern und Bakterien gleichermaßen. Die Würmer nehmen die Bakterien über ihre Nahrung wieder auf und halten sie für das nächste Opfer bereit.

Wie die beteiligten Gifte im Einzelnen wirken, war bisher jedoch unklar. Bekannt ist, dass Photorhabdus luminescens verschiedene Gifte produziert, die zusammen große Toxin-Komplexe bilden, so genannte Tc-Proteine. Der biologisch aktive Komplex besteht dabei aus den drei Komponenten TcA, TcB und TcC. Die Wissenschaftler um Hans Georg Mannherz vom Dortmunder Max-Planck-Institut konnten nun zeigen, dass die TcC-Komponenten TccC3 und TccC5 die tödliche Wirkung des Giftes ausmachen. Diese beiden Toxinkomponenten verhindern, dass Immunzellen Krankheitserreger aufnehmen und so unschädlich machen können. Jedes der beiden Enzyme hat dabei eine spezifische Funktion: So verändert TccC3 direkt das Zellskelett-Protein Aktin und bewirkt dadurch, dass das Skelett übermäßig stark aufgebaut wird. Das zweite Toxin, TccC5, führt indirekt ebenfalls zu einer Verstärkung des Zellskeletts, indem es Rho-Proteine verändert, die als Schalterproteine den Auf- und Abbau des Zellskeletts regulieren.

Wirkung der Gifte von Photorhabdus luminescens auf isolierte primäre Blutzellen (Hämozyten) von Galleria mellonella: Kontrollzellen (C), mit TccC3 (D), mit TccC5 (E), mit TccC3 und TccC5 (F) behandelt. Die beiden Toxine zerstören das Zytoskelett von Zielzellen.

Beide Gifte zusammen führen zu unkontrolliertem Wachstum und Verklumpung des Zellskeletts. Dadurch kann dieses seine Funktion, Zellen zu stabilisieren und Transporte innerhalb von diesen zu ermöglichen, nicht mehr erfüllen. Insbesondere wird die Immunabwehr durch die Veränderung unmöglich. Beide Toxine sind ihrerseits auf die Wirkung von TcA angewiesen. Dieses führt zur Bildung von Poren in den Wirtszellen. Die Forscher vermuten, dass TccC3 und TccC5 durch diese Poren in die Zellen gelangen können.

Tc-Proteine kommen auch in menschlichen Krankheitserregern wie Yersinia pseudotuberculosis und Yersinia pestis vor, dem Erreger der Lungen- und Beulenpest. Deshalb hilft die Erforschung des molekularen Mechanismus der hier untersuchten Tc-Proteine, für den Menschen schädliche Bakterien besser zu verstehen und zu bekämpfen.

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