Project

Discipline

Membrane proteins; Multidrug efflux pumps; ABC transporter; MFS transporter; Pathogenic bacteria; Antibiotic resistance; Mycobacterium tuberculosis; Enterococcus faecalis; Drug efflux; Virulence factors; Mycobacterial lipids; Siderophore transport; Iron sequestration; X-ray crystallography; Structure-based biochemistry

Lead
Molekulare Einblicke in Transportproteine aus pathogenen BakterienWerden Bakterien mittels Antibiotika bekämpft, reagieren diese durch eine erhöhte Produktion von Transportproteinen, welche die Antibiotika aus der Bakterienzelle herauspumpen. Dadurch erlangt das Bakterium Antibiotikaresistenz und es gewinnt Zeit um weitere Resistenzen zu erlangen. Zudem dienen Transportproteine der Aufnahme von wichtigen Nährstoffen, wie zum Beispiel Eisen und sind für den Aufbau der Zellmembran unerlässlich. Wir untersuchen Transportproteine, die für den Membrantransport von Antibiotika und Virulenzfaktoren aus pathogenen Bakterien verantwortlich sind. Ein spezielles Augenmerk richten wir auf das Bakterium Mycobacterium tuberculosis, dem Erreger der Tuberkulose.
Lay summary
Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts In unserer Arbeit untersuchen wir die Bedeutung von Transportprozessen im Zusammenhang von Antibiotikaresistenz und Virulenz von pathogenen Bakterien, insbesondere von Mycobacterium tuberculosis. Mittels Röntgenkristallographie und einer Reihe von biochemischen und mikrobiologischen Methoden wollen wir auf molekularer Ebene verstehen, wie genau Antibiotika und andere chemische Verbindungen von diesen Transportproteinen erkannt und über die Membran transportiert werden. Dazu werden i) Transportproteine rekombinant in verschiedenen Bakterien in ausreichender Menge produziert, ii) die Proteine gereinigt und biochemisch charakterisiert, iii) die gereinigten Proteine kristallisiert für die Strukturbestimmung mittels Röntgenkristallographie, iv) Transportexperimente in vivo und in vitro durchgeführt und schliesslich v) Gene für diese Transporter in den entsprechenden pathogenen Bakterien deletiert und die entsprechenden Mutanten auf Antibiotikaresistenz und Virulenz getestet.   Wissenschaftlicher und Gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojektes Die Tuberkulose bleibt eine vor allem in bevölkerungsreichen Staaten Afrikas und Südostasiens weit verbreitete Krankheit, welche zu 1.4 Millionen Todesfällen jährlich führt. Gerade wegen der immer häufiger auftauchenden Antibiotikaresistenzen zieht eine Tuberkuloseerkrankung sehr oft schwierige und langwierige medikamentöse Behandlungen nach sich. Zudem sind Antibiotika-resistente Bakterien weltweit auf dem Vormarsch und stellen eine grosse Bedrohung der Weltgesundheit dar. Mit unserer Arbeit werden wir einen Beitrag zum molekularen Verständnis von Transportprozessen in pathogenen Bakterien leisten. Insbesondere haben wir uns zum Ziel gesetzt, die Bedeutung von Antibiotikapumpen im Zusammenhang von Antibiotikaresistenzen zu verstehen.

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Last update: 31.05.2017

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Uptake and extrusion of molecules across the lipid bilayer are vital cellular processes mediated by transmembrane proteins. Despite their physiological importance, membrane transporters are poorly characterized at the biochemical and structural level.ATP binding cassette (ABC) exporters and major facilitator superfamily (MFS) transporters belong to two large transporter superfamilies and pump substrates against their concentration gradient by harnessing the energy of ATP hydrolysis and the proton motive force, respectively. ABC exporters are closely related at the sequence level and share the same structural fold. However, their substrate specificities and physiological functions are remarkably diverse. Because only few ABC exporter structures exist, molecular determinants of substrate specificity remain largely elusive. In pathogenic bacteria, ABC exporters pump antibiotics and other noxious substances out of the cell and thereby mediate multidrug resistance. The molecular mechanism by which drug efflux pumps are capable of extruding a myriad of different compounds remains ill-defined. Transport processes play also a vital role in the uptake of essential nutrients such as iron and the export of lipids from the cytoplasm. M. tuberculosis depends on its iron siderophores mycobactin and carboxymycobactin to replicate in macrophages. Mycobactin-mediated iron uptake requires the heterodimeric ABC exporter IrtAB, but the actual substrate recognized by this transporter remains to be elucidated. Mycobacteria synthesize glycosylated lipids called lipoarabinomannans (LAMs), which need to be incorporated into the complex mycobacterial cell wall in a process that is crucial for virulence of M. tuberculosis. The MFS transporter Rv1410 and the liproprotein LprG are responsible for LAM incorporation by a mechanism that remains elusive.By combining protein biochemistry, X-ray crystallography, molecular microbiology and bacterial genetics we will obtain novel insights into:1) The molecular mechanism of heterodimeric ABC exporters by solving the structure of TM287/288 in its outward-facing and/or outward-occluded state and by studying the functional role of its extracellular gate. 2) Molecular hallmarks of multidrug ABC exporters by investigating seven closely related heterodimeric ABC exporters of E. faecalis of which only a subset is capable of multidrug efflux.3) The functional role of the mycobacterial ABC exporter IrtAB and its attached siderophore interaction domain in the transport and reduction of iron bound to mycobactin and carboxymycobactin.4) The molecular interplay between the MFS transporter Rv1410 and the liproprotein LprG to display LAMs at the cellular surface of Mycobacteria.In summary, our work will shed light on the molecular mechanisms of transporters responsible for drug efflux, iron uptake and lipid transport in pathogenic bacteria.