Wie „Conan das Bakterium“ extremer Strahlung standhält

Bakterielle Superkraft: Die winzige Mikrobe Deinococcus radiodurans kann extreme Strahlendosen überleben. Nun haben Biochemiker das Geheimnis hinter dieser Widerstandsfähigkeit enthüllt. Demnach kombiniert das Bakterium kurze Peptide aus seinem Stoffwechsel mit Mangan-Ionen und Phosphat zu einem Molekülkomplex mit außergewöhnlich starker antioxidativer Wirkung. Dies verhindert schwere Strahlenschäden und könnte künftig auch Astronauten und Medikamente vor Strahlung schützen.

Röntgen- und Gammastrahlen erzeugen in lebenden Zellen freie Radikale (O₂^.−) und oxidativen Stress, der DNA und Proteine schädigen kann. Ungewöhnlich widerstandsfähig gegen solche ionisierende Strahlung ist jedoch das Bakterium Deinococcus radiodurans. Diese Mikrobe lebt überall – auch an unwirtlichen Orten wie der Antarktis, in Atomreaktoren oder im Darm von Menschen und Tieren – und kann Strahlendosen von bis zu 25.000 Gray (Gy) überleben, in getrocknetem und gefrorenem Zustand sogar 140.000 Gray. Dies ist 28.000-mal mehr als die für einen Menschen tödliche Dosis.

Deinococcus radiodurans gilt deshalb als das widerstandsfähigste Bakterium der Welt und wird auch „Conan das Bakterium“ genannt – in Anlehnung an die Filmfigur „Conan der Barbar“. Möglich machen die Resistenz eine dicke Zellwand, Reparaturmechanismen für die bakterielle DNA und spezielle manganhaltige Moleküle im Innern des Bakteriums, die eine antioxidative Wirkung haben. Je mehr Mangan-Antioxidantien, desto widerstandsfähiger die Mikrobe, wie frühere Studien gezeigt hatten. Aber wie genau funktioniert dieses Schutzmolekül?

Designer-Molekül namens MDP

Das hat nun ein Team um Hao Yang von der Northwestern University in Illinois genauer untersucht. Dafür stellten die Forschenden ein synthetisches Designer-Antioxidans nach dem Vorbild von Deinococcus radiodurans her und untersuchten per Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (EPR) und Kernspin-Analysen (ENDOR/ESEEM und NMR) dessen Aufbau und Eigenschaften.

Das Molekül besteht aus einem Decapeptid namens DP1 – einer Kette aus zehn Aminosäuren, wie sie auch bei „Conan“ vorkommt – kombiniert mit einer Phosphatgruppe und Mangan-Ionen (Mn²⁺). Das Mengenverhältnis dieser Komponenten bei der Herstellung ist 25:3:1, wie bei Deinococcus. Das daraus gebildete künstliche Konstrukt mit der Abkürzung MDP fängt freie Radikale ab und schützt so lebende Zellen und Proteine erfolgreich vor Strahlenschäden, wie Vorversuche zeigten.

Peptid verstärkt Schutzwirkung von Mangan

Die Strukturanalysen enthüllten nun zudem, dass die einzelnen Komponenten von MDP einen ternären Komplex bilden – eine spezielle räumliche Anordnung von Phosphat, Mangan und Peptid. Dieser Aufbau ist stabiler als Mangan in Kombination mit entweder Phosphat oder Peptid allein. Zudem hilft der Dreifachkomplex auch viel besser gegen Strahlenschäden: Er schützte in den Tests ein Protein vor Strahlendosen von bis zu 60.000 Gray, während ein Mangan-Phosphat-Komplex nur bis 10.000 Gray schützte, wie die Biochemiker feststellten.

„Es ist dieser ternäre Komplex, der den hervorragenden Schutz von MDP gegen Strahlung darstellt“, schließt Seniorautor Brian Hoffman von der Northwestern University. „Wir wissen seit langem, dass Mangan-Ionen und Phosphat zusammen ein starkes Antioxidans ergeben. Aber die Entdeckung und das Verständnis der ‚magischen‘ Potenz, die durch die Zugabe der dritten Komponente entsteht, ist ein Durchbruch.“

Schutz für Astronauten und Impfstoffe

Mit dem neuen Wissen über das Schutzmolekül von „Conan“ könnten nun neue synthetischen Antioxidantien entwickelt werden, die Menschen vor Strahlung schützen. „Dieses neue Verständnis von MDP könnte zur Entwicklung noch wirksamerer Antioxidantien auf Manganbasis für Anwendungen im Gesundheitswesen, in der Industrie, in der Verteidigung und in der Weltraumforschung führen“, sagt Koautor Michael Daly von der Uniformed Services University (USU).

Diese von Deinococcus radiodurans inspirierten Antioxidantien könnten demnach Astronauten bei Missionen im Weltraum vor intensiver kosmischer Strahlung oder Menschen auf der Erde bei Atomunfällen vor Verstrahlung schützen. Zudem könnten solche Antioxidantien die Herstellung von Impfstoffen erleichtern, bei denen das Erbgut von Krankheitserregern wie Viren oder Bakterien mittels Strahlung zerstört wird, ohne deren Immunsystem-aktivierenden Oberflächenproteine zu beschädigen. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; doi: 10.1073/pnas.2417389121)

Quelle: Northwestern University