Fr, 16.01.2015 - 09:11 — Uwe Sleytr, Inge Schuster
S-Schichten, eine äußere Umhüllung von prokaryotischen Zellen (Archaea und Bakterien), sind jeweils aus einer einzigen Art eines Proteins aufgebaut. Diese, zur Selbstorganisation fähigen, Proteine erzeugen hochgeordnete, kristalline Gitter. Mit derartigen (funktionalisierten) Proteinen lassen sich unterschiedlichste Oberflächen beschichten und damit effiziente Lösungen (nicht nur) für (nano)biotechnologische Anwendungen finden. Der Mikrobiologe Uwe Sleytr - ein Pionier auf diesem Gebiet – liefert seit mehr als 40 Jahren fundamentale Beiträge zu Struktur, Aufbau, Funktion und Anwendung von S-Schichten [1].
Das Leben auf unserer Erde hat vor (mehr als) 3,5 Milliarden Jahren mit einfachsten Zellen, Vorläufern der heutigen Prokaryoten begonnen. Prokaryoten sind - vereinfacht ausgedrückt - mit Cytoplasma gefüllte Behälter, die keinen Zellkern besitzen. Im Inneren dieser Behälter liegt das Erbmaterial also frei vor, und es existieren im Wesentlichen auch keine anderen membranumhüllten Organellen. Von ihrer Umgebung abgeschirmt werden die Behälter durch eine mehr oder weniger dicke Ummantelung. Diese besteht primär aus der Zellmembran – einer Lipiddoppelschicht, die dem Stoffaustausch und der Kommunikation mit der Umwelt dient. Außerhalb dieser Membran weisen die meisten Prokaryoten unterschiedlich zusammengesetzte Zellwandschichten auf.
Im Lauf der Evolution hat sich das erfolgreiche Modell der Prokaryoten weiterentwickelt, indem mehrere Module früher Prokaryoten zusammentraten. Aus dieser Symbiose entstanden die sogenannten Eukaryoten, die Basis aller höheren Lebensformen. Die Zellen dieser ein- und mehrzelligen Organismen besitzen durch Membranen abgegrenzte intrazelluläre Strukturen – Kompartimente (Organellen), die – wie angenommen wird - von „eingefangenen“ Bakterien stammen: Mitochondrien, die Kraftwerke der Zellen, leiten sich wahrscheinlich von Purpurbakterien her, die für Photosynthese essentiellen Chloroplasten der Pflanzenzellen von Cyanobakterien.
Nichtsdestoweniger sind Prokaryoten auch heute noch die dominierenden Lebensformen auf unserem Planeten und machen – Schätzungen zufolge - bis zu 2/3 seiner Biomasse aus. Neben den Bakterien sind dies die Archaea, eine zweite Form von Prokaryoten, die erst in den späten 1970er Jahren als eigene Domäne des Lebens von Carl Woese entdeckt wurden. Diese winzigen, vielfach schwer kultivierbaren Organismen sehen strukturell Bakterien ähnlich, unterscheiden sich von diesen aber grundsätzlich im biochemischen und genetischen Makeup. Es sind vor allem Unterschiede in Zusammensetzung und Architektur von Zellmembran und Zellwand, die es verschiedenen Vertretern der Archaea ermöglichen, auch unter extremsten Bedingungen zu existieren, beispielsweise bei Temperaturen bis zu 120oC, in äußerst alkalischem und saurem Milieu oder bei sehr hohen Salzkonzentrationen.
Auf der Basis ihrer genetischen Verwandtschaft hat Woese eine systematische Einteilung aller Lebewesen in drei Domänen vorgeschlagen: Bakterien – Archaea und Eukaryoten [2]; dieser „phylogenetische Baum des Lebens“ ist heute allgemein akzeptiert. Abbildung 1.
Abbildung 1. Der phylogenetische Baum des Lebens. Die systematische Einteilung der Lebensformen in drei Domänen: Bakterien, Archaea und Eukaryoten erfolgt nach Woese (1977) auf Grund der Verwandtschaft ihrer ribosomalen s16-RNA (Bakterium: S. aureus, Archaea: Sulfolobus; Bild modifiziert nach Wikipedia)
Der überwiegende Teil der Prokaryoten existiert in hochkompetitiven Lebensräumen und bildet äußerst komplexe Mikrobiome. Um sich den jeweiligen Nachbarschaften und den dort vorherrschenden Umwelteinflüssen anzupassen, haben Bakterien und Archaea eine Vielfalt an Strukturen entwickelt, welche als Schutzschicht die Zellen umhüllen.
S-Schichten – ein einzigartiges selbstassemblierendes System
Zu den am häufigsten angetroffenen Ummantelungen prokaryotischer Zellen gehören die sogenannten S-Schichten (englisch: surface-layers – Oberflächenschichten). Derartige S-Schichten wurden erstmals vor rund sechzig Jahren an einem Bakterium entdeckt und seitdem in nahezu allen Archaea und in hunderten Arten von Bakterien nachgewiesen.
S-Schichten sind keine Lipidmembranen. Es sind vielmehr die einfachsten Protein-Membranen, vielleicht überhaupt die ältesten Membranen, die der Evolutionsprozess hervorgebracht und optimiert hat: S-Schichten sind jeweils nur aus einer einzigen Art eines Proteins oder Glykoproteins aufgebaut (sie sind also monomolekular). Diese Proteine besitzen die Fähigkeit zur Selbstorganisation: die einzelnen identen Bausteine assoziieren sich an der Oberfläche der Zelle zu einer kristallinen, hoch-geordneten gitterförmigen Struktur (siehe: nächster Abschnitt).
Für die Anlagerung der S-Schicht stehen bei Archaeen und Bakterien unterschiedliche Oberflächen zur Verfügung (Abbildung 2):
Abbildung 2. Wie S-Schichten auf der Oberfläche von Prokaryoten sitzen. Anlagerung der S-Schichtenproteine (gelb): in Archaea direkt an die Zellmembran, in Gram positiven Bakterien an die vorwiegend aus Peptidoglycan bestehende Zellwand (türkis), in Gram-negativen Bakterien an die Lipopolysaccharidkomponente der äußeren Membran (Doppelschicht, lila). Wechselwirkungen von S-Schichtproteinen finden mit den Komponenten der jeweiligen Oberfläche statt. (Die Zellen sind grob vereinfacht dargestellt mit: Lipiddoppelschicht der Zellmembran (blau), DNA (rot) und Ribosomen (schwarze Punkte). Glykanreste: bei Archaea nicht gekennzeichnet, bei Bakterien: schwarzer Faden.)
Die meisten Archaea besitzen keine starre Zellwand; die S-Schicht liegt hier direkt auf der Zellmembran, wobei die an Pilze erinnernden Formen der Proteine mit ihren „Stielen“ in die Membran eindringen können.
Im Gegensatz dazu haben Bakterien eine feste Zellwand, die vorwiegend aus Peptidoglycan (auch Murein genanntes Polymer aus Zuckern und Aminosäuren) besteht und an die Zellmembran angrenzt. Diese, bei Gram-positiven Bakterien sehr dicke Zellwand verleiht den Zellen Form und Festigkeit und die Fähigkeit dem Innendruck (Turgor) des Cytoplasmas standzuhalten. In Gram-negativen Bakterien ist die Peptidoglycan-Schicht wesentlich dünner, dafür gibt es hier eine zusätzliche äußere Membran. Dies ist eine unsymmetrisch zusammengesetzte Doppelschicht, deren innere Schicht aus Phospholipiden, die äußere Schicht aus Lipopolysacchariden besteht.
S-Schicht Proteine assoziieren an die jeweiligen äußersten Hüllen und interagieren spezifisch mit deren Komponenten.
Wie sehen S-Schichten aus?
Mit einem Volumen, das nur etwa 1/1000 des Volumens eukaryotischer Zellen beträgt, konnten morphologische Untersuchungen von Prokaryoten erst in Angriff genommen werden, als mikroskopische Methoden es erlaubten in den Nanometer-Bereich vorzustoßen (1 nm = 1 Milliardstel Meter).
Diese Verfahren – vor allem Elektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie - zeigen S-Schichten als kristalline regelmäßige Proteingitter. Die identen Bausteine der S-Schichten können sich dabei in verschiedenen Anordnungen zu einem 2D-Gitter organisieren: schräg (p1, p2), quadratisch (p4) oder hexagonal (p3, p6). Die entsprechenden Distanzen der Grundeinheiten von Zentrum zu Zentrum (Gitterkonstanten) liegen zwischen 3 und 35 nm. Abbildung 3.
Durch die regelmäßige Anordnung der Proteine entstehen gleich große Poren mit einem Durchmesser zwischen 2 und 8 nm, die bis zu 70 % der Oberfläche einnehmen können. Diese porösen Oberflächen können u.a. als Molekularsiebe fungieren, den Eintritt und Austritt großer Moleküle – beispielsweise von Enzymen – kontrollieren (der Durchmesser eines mittelgroßen Proteins mit einem Molekulargewicht 50 kDa beträgt rund 5 nm) und auch vor zellschädigenden Komponenten schützen.
S-Schichten bilden eine stets völlig geschlossene Ummantelung der Zellen. Um dies zu gewährleisten, müssen die Proteinbausteine während des schnellen Wachstums und der Zellteilung im Innern der Zellen permanent synthetisiert, an die Oberfläche transportiert und umgeordnet werden.
Abbildung 3. Aufbau von S-Schichten Links: die elektronenmikroskopische Aufnahme einer S-Schicht tragenden Bakterienzelle zeigt ein regelmäßiges Proteingitter. Rechts: schematische Darstellung der unterschiedlichen Gitter-Typen - die Grundeinheiten setzen sich aus 1, 2, 3, 4 oder 6 identen Bausteinen (rot eingezeichnet) zusammen.
Wie dick die S-Schichten sind, hängt von Gestalt und Größe der Proteinbausteine (Molekulargewicht ca. 30 – 200 kDa) ab: bei Bakterien sind dies zwischen 5 und 10 nm, die pilzartigen Strukturen bei Archaea können bis zu 70 nm dick werden.
Da rund 10 % des Gesamtproteins von Prokaryoten in den Aufbau der S-Schichten involviert sind und auf Grund der ungeheuren Biomasse an Prokaryoten, gehören somit S-Schichtenproteine zu den am häufigsten vorkommenden Biopolymeren unserer Erde.
Warum sind S-Schichten für uns interessant?
Zu S-Schichten wurden bis jetzt mehr als 2 500 wissenschaftliche Artikel veröffentlicht (die Hälfte davon - laut PubMed - in „peer-reviewed journals“), die Tendenz ist steigend. Neben Fragen zu Biosynthese und Regulation der S-Schichtenproteine werden vor allem solche zu den funktionellen Aspekten der S-Schichten bearbeitet. Bereits 1986 wurde eine, der von der Natur vorgegebenen Funktionen als erste biotechnische Anwendung realisiert: es war dies eine Ultrafiltrationsmembran mit einheitlicher Porengröße.
Über den Gebrauch als Molekularsieb hinaus ist auch die Rolle von S-Schichten in der Oberflächenerkennung und Adhäsion und als - bei einigen pathogenen Bakterien vorkommender - Virulenzfaktor von hohem Interesse.
Besonders vielversprechend sind Untersuchungen über die Wechselwirkungen, die S-Proteine untereinander und mit anderen Zellwand-/Membrankomponenten ausüben:
S-Schichtenproteine sind ein herausragendes Modell zur Untersuchung der Selbstorganisation von Molekülen. Die identen Bausteine bilden Proteingitter nicht nur auf den Oberflächen von Prokaryoten aus. Wenn man mit biochemischen Methoden isolierte und gereinigte oder auch rekombinant hergestellte S-Schichtenproteine verwendet, so lagern sich diese auf unterschiedlichsten festen Trägern, auf Liposomen, Nanopartikeln, etc., ebenso wie in wässriger Lösung und an deren Grenzfläche zur Luft zusammen. So lassen sich verschiedenartigste Oberflächen mit einer repetitiven kristallinen Proteinschicht überziehen, die überdies an ihrer Außenseite chemisch oder gentechnisch gezielt modifiziert werden kann. Abbildung 4.
Abbildung 4 Nanobiotechnologische Anwendungen mit S-Schicht-Fusionsproteinen ermöglichen eine hochgeordnete Oberfläche mit den gewünschten Funktionen.
Wie mit Lego-Bausteinen lassen sich in kontrollierter Weise Oberflächen beschichten, die dann erwünschte Funktionen in streng definierter Orientierung und Position aufweisen. Ein wichtiges Faktum: jeder einzelne Baustein ist einfach und sehr kostengünstig herzustellen und enthält bereits die gesamte Information.
Die Grundlagenforschung zur Selbstorganisation der Bausteine schafft damit die Basis für eine Fülle (nano)biotechnischer, biomedizinischer und biomimetischer Anwendungen.
Deren Spektrum reicht von der Entwicklung spezifischer Enkapsulierungen, die ihren Inhalt – beispielsweise pharmakologisch wirksame Stoffe - zu definierten Zielen im Organismus bringen mit entsprechenden Anwendungen auch in Immuno- und Gentherapie, über die Impfstoffentwicklung, die Immobilisierung von funktionellen Makromolekülen und die Schaffung von katalytisch aktiven Oberflächen bis hin zu mikroelektronischen Sensoren.
Das von der Natur über Jahrmilliarden optimierte molekulare Baukastensystem lässt uns so effiziente und elegante Lösungen für technische Anwendungen von heute finden.
Uwe B Sleytr - homepage: https://forschung.boku.ac.at/fis/suchen.person_uebersicht?sprache_in=en&...
[1] U.B. Sleytr et al, (2014) S-layers: principles and applications. FEMS Microbiol Rev 38:823-864
[2] C.R.Woese et al., (1990) Towards a natural system of organisms: Proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87: 4576-4579 http://www.pnas.org/content/87/12/4576.long
Weiterführende Links
Archaeen - Allrounder der Evolution – Audio 23:01 min (radioWissen - Bayern 2; deutsch)
Archaea Video 7;15 min (englisch)
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