Exeter-Wissenschaftler entdecken, wie Doxycyclin Bakterien entwaffnet.

Neue Entdeckungen zur Wirkungsweise von Antibiotika

Wissenschaftler haben zwei neue Mechanismen entdeckt, wie ein gut etabliertes Antibiotikum funktioniert. Diese Entdeckung ebnet den Weg für die potenzielle Entwicklung neuer Antibiotikabehandlungen.

Die Forschung zu Coxiella burnetii

Ein Team der University of Exeter hat die Bakterien Coxiella burnetii untersucht, um herauszufinden, warum sie so empfindlich auf Doxycyclin reagiert. Doxycyclin ist eines der am häufigsten verschriebenen Antibiotika und wirkt sogar in niedrigen Konzentrationen.

In Zellen werden die Proteine in einer Maschine namens Ribosom hergestellt. Neu gebaute Proteine verlassen diese Maschine über einen Ausgangskanal. Das Team entdeckte, dass in C. burnetii Antibiotikamoleküle übereinander gestapelt werden, um den Ausgangskanal des Ribosoms zu blockieren. Dies zeigt einen neuen Mechanismus, wie Doxycyclin die Bakterien entschärft. Die Forscher hoffen, dass diese Entdeckung den Weg für eine neue Generation von Antibiotika, die von Doxycyclin abgeleitet sind, ebnen könnte.

Fortschritte in der Forschungstechnik

Professor Nicholas Harmer, der die Forschung leitete, sagte: „In dieser Studie haben wir Elektronenmikroskopie verwendet, und jüngste Fortschritte ermöglichen es uns, molekulare Strukturen detaillierter zu beobachten als je zuvor. Wir waren überrascht, eine Reihe von wichtigen Erkenntnissen zu gewinnen, einschließlich eines völlig neuen Mechanismus, wie Doxycyclin gegen Coxiella wirkt. Jetzt müssen wir untersuchen, ob wir dieses Wissen auf andere Bakterienarten ausweiten können, die gegen Antibiotika resistent sind.“

Die Suche nach neuen Antibiotika ist eine internationale Forschungspriorität, da die Wirksamkeit von Antibiotika aufgrund von Bakterien, die Resistenzen entwickeln, zunehmend abnimmt. Dies bedeutet, dass zuvor behandelbare Infektionen tödlich sein können. Die Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde und vom UKRI Biotechnology and Biological Sciences Research Council sowie dem Defence Science and Technology Laboratory finanziert wurde, untersuchte hauptsächlich Coxiella burnetii. Dieses Bakterium kommt bei Tieren häufig vor und kann von Menschen eingeatmet werden, was schwere grippeähnliche Symptome verursachen kann, die sogar zum Tod führen können. Menschen, die mit Nutztieren arbeiten, sind besonders gefährdet.

Mechanismen der Wirkungsweise

Durch die Elektronenmikroskopie konnte das Team Ribosomen beobachten, die genetische Anweisungen, die von mRNA-Molekülen transportiert werden, entziffern und in die „Arbeiter“ der Zelle, die Proteine, übersetzen. Die Forscher beobachteten den bereits bekannten Mechanismus, wie Doxycyclin wirkt – es zielt auf das bakterielle Ribosom ab, indem es die Bindung von tRNA im Dekodierzentrum blockiert.

Die Forscher waren jedoch überrascht, einen zweiten Mechanismus zu entdecken: Sie beobachteten einen Stapel von drei Doxycyclin-Molekülen, die den Ausgang für das neue Protein aus dem Ribosom vollständig blockieren und die Proteinproduktion stoppen. Dies verhindert die Übersetzung von mRNA-Molekülen, was bedeutet, dass die Bakterien nicht wachsen und sich vermehren können. Bei dem häufiger untersuchten Bakterium E. coli wurde ein zusätzlicher Mechanismus beobachtet, bei dem ein einzelnes Doxycyclin-Molekül das Ribosom in einen inaktiven Zustand umkonfiguriert, der zuvor noch nie gesehen wurde.

Dieses Ergebnis hat uns wirklich überrascht – wir hatten keine Idee, dass wir einen so schönen Mechanismus finden würden, der erklärt, warum das Antibiotikum so effektiv bei der Behandlung von C. burnetii-Infektionen ist. Aufregend ist, dass wir vermuten, dies könnte auch auf andere Bakterien anwendbar sein und potenziell neue Behandlungen gegen derzeit schwer behandelbare Krankheiten hervorbringen. Unsere Beobachtung des umkonfigurierten inaktiven Ribosoms bietet einen weiteren potenziellen Weg zu einem äußerst wirkungsvollen zukünftigen Antibiotikum. Unser nächster Schritt ist zu untersuchen, ob wir diese Mechanismen nutzen können, um neue Wege für Antibiotika zu schaffen, um Infektionen zu bekämpfen, die wir weltweit dringend benötigen.“

Dr. William Stuart, Hauptautor, University of Exeter’s Living Systems Institute

Quellen: