Antibiotika-Wirkung – Molekularer Nahkampf

Wirkstoffe wie Chloramphenicol hemmen die Proteinsynthese in Bakterien. Max-Planck-Forscher konnten jetzt erstmals zeigen, wie das genau funktioniert. Die Erkenntnisse könnten auch für die Behandlung von von Infektionen mit dem Milzbranderreger Anthrax relevant sein.

Die Entwicklung von Antibiotika ist langwierig und teuer: Eine Vielzahl von Substanzen muss getestet werden, bevor ein Kandidat gefunden ist, der hinreichend wirksam, verträglich und stabil ist. Ist der Wirkstoff dann endlich einsatzbereit, dauert es meist nur ein bis zwei Jahre, bis die ersten Bakterienstämme durch Mutationen schon wieder gegen den Wirkstoff resistent sind.

Von Antibiotika wie Chloramphenicol wusste man zwar, wo sie wirken: an den Ribosomen der Bakterien, wo sie die Protein-Biosynthese hemmen. Wie dies jedoch genau funktioniert, war bislang unklar. Jetzt haben Wissenschaftler der Arbeitsgruppe für Ribosomenstruktur der Max-Planck-Gesellschaft in Hamburg unter der Leitung von Professor Ada Yonath gemeinsam mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin den Wirkmechanismus bis in die atomaren Details aufgeklärt. Dazu bestimmten sie die räumliche Anordnung eines Teils des Ribosoms in Wechselwirkung mit jeweils einem von 5 häufig verwendeten Antibiotika: Chloramphenicol , Clindamycin sowie den drei Makrolid-Antibiotika Erythromycin, Clarithromycin und Roxithromycin. Diese Wirkstoffe können auch gegen den Milzbrand-Erreger Bacillus Anthracis eingesetzt werden.

Erythromycin (rot) blockiert den Tunnel des Ribosoms
Erythromycin (rot) blockiert den Tunnel des Ribosoms

Es zeigte sich, dass alle untersuchten Antibiotika in eine eng umgrenzten Region des riesigen Ribosomen-Moleküls binden. An dieser Stelle, dem so genannten Peptidyltransferase-Zentrum, werden die einzelnen Aminosäure-Bausteine zu dem wachsenden Proteinfaden verknüpft.

Chloramphenicol ähnelt einem solchen Aminosäure-Baustein und bindet daher im Zentrum. An das Molekül kann jedoch keine weitere Aminosäure angehängt werden, deshalb bringt Chloramphenicol das Wachstum des Proteinfadens zum Stillstand. Clindamycin agiert nach demselben Prinzip.
Die Makrolide wie Erythromycin unterdrücken die Peptidsynthese auf andere Weise. Während der Synthese muss der wachsende Proteinfaden durch einen Tunnel in der Mitte des Ribosoms wie durch ein Nadelöhr hindurchlaufen. Die Makrolid-Antibiotika blockieren diese Stelle und verstopfen so das Nadelöhr.

Mit den Daten, die die Wissenschaftler jetzt in der Fachzeitschrift Nature (Vol. 413, S.814) veröffentlichten, könnte die Entwicklung von Antibiotika eine rasante Beschleunigung erfahren. Zum einen ist jetzt erstmals klar, welche Teile der untersuchten Antibiotika-Moleküle für die Bindung innerhalb des Ribosoms verantwortlich sind. Durch gezielten Austausch einzelner Atome könnten die Wirkstoffe beispielsweise in ihren Bindungseigenschaften verbessert werden. Zum anderen wird jetzt deutlich, wie sich resistente Bakterienstämme durch Mutationen vor diesen Antibiotika schützen. Solche Stämme könnten dann ganz gezielt mit maßgeschneiderten Wirkstoffen außer Gefecht gesetzt werden.

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