Abb. 1: Neue bakterielle "Sprachen" in Bakterien der Gattung Photorhabdus.
Bakterien leben in der Natur nicht isoliert, sondern in Gemeinschaft mit anderen Bakterien. Sie kommunizieren miteinander über chemische Prozesse und können sich dadurch in der Gruppe „absprechen“ und somit gemeinsam verschiedene Eigenschaften ausbilden. Dazu nutzen Sie kleine diffusionsfähige Moleküle, ein Prozess, der als „Quorum-sensing“ bezeichnet wird. Gram-negative Bakterien kommunizieren über acylierte Homoserinlaktone (AHL). Der Prototyp solcher „Quorum-sensing“-Systeme besteht aus einer LuxI-ähnlichen AHL-Synthase, die das Signalmolekül synthetisiert, und einem zugehörigem LuxR-Rezeptor, welcher das Signal sensiert. Als Signalmoleküle von LuxR-Rezeptoren waren bisher nur AHLs bekannt. In vielen Proteobakterien findet man aber zusätzliche oder ausschließlich LuxR-Rezeptoren ohne zugehörige LuxI-Synthase, welche auch als LuxR-Solos bezeichnet werden. Für LuxR-Solos waren außer AHLs bisher keine Signalmoleküle bekannt.
In unseren neuesten Studien konnten wir bisher zwei neue bakterielle „Sprachen“ beschreiben. Übertragen ausgedrückt könnte man sagen, dass man bisher nur wusste, dass sich Gram-negative Bakterien auf „Englisch“ unterhalten. Wir konnten nun zeigen, dass auch „Deutsch“ und „Französisch“ unter den Bakterien gesprochen wird. Der LuxR-Solos PluR aus dem insektenpathogenen Bakterium Photorhabdus luminescens wie auch der LuxR-Solo PauR aus dem humanpathogenen Bakterium Photorhabdus asymbiotica sind Teile von zwei neuartigen „Quorum-sensing“-Systemen sind. Die Struktur der Signalmoleküle konnten wir in einer engen Kooperation mit der AG von Prof. Helge Bode (Goethe-Universität Frankfurt) aufgeklären. Anstatt AHLs sensiert PluR Photopyrone (PPYs), welche von der Pyronsynthase PpyS gebildet werden (Brachmann et al., 2013). PauR hingegen sensiert Dialkylresorzinole (DARs), die vom DarABC Syntheseweg gebildet werden (Brameyer et al., 2015). Damit waren PluR und PauR die ersten LuxR-Rezeptoren, für den gezeigt werden konnte, dass diese andere „Quorum-sensing“-Signale als AHLs wahrnehmen.
In unseren gegenwaärtigen Arbeiten untersuchen wir die zahlreichen LuxR-Solos aus Photorhabdus Bakterien, die eine PAS4-Signalbindedomäne haben. Diese könnten an einer Kommunikation zwischen Bakterien und ihren eukaryotischen Wirten beteiligt sein. Kommunikationswege von Bakterien könnten ein möglicher Angriffspunkt für neue Medikamente ein. So könnten spezifische Wirkstoffe entwickelt werden, welche die Kommunikation von humanpathogenen Bakterien stören, um sie so an der Bildung von z.B. Giftstoffen zu hindern.
Das Projekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziell gefördert.
Tobias, N.J.; Brehm, J.; Kresovic, D.; Brameyer, S.; Bode, H.B.; Heermann, R. (2019). New vocabulary for bacterial communication. ChemBioChem; doi: 10.1002/cbic.201900580.
Brameyer, S.; Heermann, R. (2017). Quorum sensing and LuxR solos in Photorhabdus. Curr Top Microbiol Immunol. 402:103-119.
Brameyer, S.; Bode, H.B.; Heermann, R. (2015). Languages and dialects: bacterial communication beyond homoserine lactones. Trends Microbiol. 23(9):521-523.
Brameyer, S.; Heermann, R. (2015). Specificity of Signal-Binding via Non-AHL LuxR-Type Receptors. PLoS One 10(4):e0124093.
Brameyer, S.; Kresovic, D.; Bode, H.B.; Heermann, R. (2015). Dialkyresorcinols as bacterial signaling molecules. PNAS 112(2):572-7.
Brameyer, S.; Kresovic, D.; Bode, H.B.; Heermann, R. (2014). LuxR solos in Photorhabdus species. Front. Cell. Infect. Microbiol. 4:166. doi: 10.3389/fcimb.2014.00166.
Brachmann, A.O.; Brameyer, S.; Kresovic, D.; Hitkova, I.; Kopp, Y.; Manske, C., Schubert, K.; Bode, H.B.; Heermann, R. (2013). Pyrones as bacterial signaling molecules, Nature Chem. Biol., 9(9):573-578.