Wie sich Bakterien gegen Plasmen wehren

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Plasmazündung der verwendeten Plasmaquelle: Sichtbar ist das Plasma hier in eine
Plasmazündung der verwendeten Plasmaquelle: Sichtbar ist das Plasma hier in einer sogenannten filamentösen Entladung in Form kleiner lila Blitze.
Ein Hitzeschockprotein schützt die Zellen gegen das Verklumpen von Proteinen. Bei längeren Behandlungsdauern wird es jedoch abgebaut.

Plasmen werden zum Beispiel in der Wundbehandlung gegen Krankheitserreger eingesetzt, die gegen Antibiotika resistent sind. Doch Bakterien können sich wehren: Sie verfügen etwa über ein Hitzeschockprotein, das sie schützt. Ein Forschungsteam um Julia Bandow und Tim Dirks aus dem Lehrstuhl für Angewandte Mikrobiologie der Ruhr-Universität Bochum konnte zeigen, dass Bakterien, die das Hitzeschockprotein Hsp33 Überproduzieren, einer Plasmabehandlung effektiver standhalten als andere. Die Forschenden konnten außerdem nachweisen, welche Bestandteile des Plasmas das Hitzeschockprotein aktivieren. Das Team berichtet im Journal of the Royal Society Interface vom 25. Oktober 2023 .

Nach drei Minuten waren alle Bakterien inaktiviert

Bei der Behandlung durch ein Plasma entfalten sich Proteine, verlieren ihre natürlichen Funktionen und können verklumpen. Ihr Verklumpen ist toxisch für Zellen und kann zu deren Inaktivierung führen. Das bakterielle Hitzeschockprotein mit einer Größe von 33 Kilodalton, kurz Hsp33, verhindert das Verklumpen, indem es sich entfaltende Proteine bindet.

Um herauszufinden, ob ein Übermaß an Hsp33-Zellen vor Plasma schützt, behandelten die Forschenden Stämme, die das Protein Überproduzieren, mit der Plasmaquelle der Firma Cinogy, die in der Dermatologie bereits eine Anwendung findet. Es zeigte sich, dass diese Stämme nach einer kurzen Behandlungszeit von etwa einer Minute deutlich besser Überlebten als Bakterien des Wildtyps. ,,Nach einer Behandlungsdauer von drei Minuten waren aber auch die Zellen inaktiviert, die Hsp33 im Übermaß produzieren", berichtet Tim Dirks.

Welche Spezies das Hitzeschockprotein aktivieren

Dass Hsp33 durch Plasma aktiviert wird, wiesen die Forschenden nach, indem sie das aufgereinigte Hitzeschockprotein mit der Plasmaquelle behandelten. ,,Diese Aktivierung geht mit der Oxidation und Entfaltung des Proteins einher und ist umkehrbar", erklärt Tim Dirks. ,,Jedoch konnten wir auch zeigen, dass Hsp33 durch längere Plasmabehandlungszeiten von einer Stunde komplett abgebaut wurde." Außerdem wurde die Fähigkeit des Proteins, ein Zink-Atom zu binden, durch Plasma negativ beeinflusst. Dieses Zink-Atom stärkt die natürliche dreidimensionale Struktur des Proteins im inaktiven Zustand.

Da bislang nichts darüber bekannt war, welche Plasma-produzierten Spezies Hsp33 aktivieren können, haben die Forschenden verschiedene Stressoren, die bekanntlich durch Plasma produziert werden, hergestellt und Hsp33 einzeln damit behandelt. ,,Auf diese Weise zeigte sich, dass Hsp33 durch Superoxid, singulären Sauerstoff und atomaren Sauerstoff aktiviert wird, jedoch nicht auf Hydroxyl-Radikale und Peroxynitrit reagiert", so Tim Dirks. Dies lässt Rückschlüsse auf die Interaktion dieser Spezies mit den bakteriellen Zellen zu. Superoxid zum Beispiel ist eine der ersten Spezies, die bei oxidativem Stress im Körper generiert wird, etwa durch unser Immunsystem in Makrophagen. Eine schnelle Reaktion von Hsp33 auf eine dieser früh generierten Spezies wäre somit für das Bakterium von Vorteil für den schnellen Schutz gegen den oxidativen Stress. ,,Superoxid scheint hier als Signalmolekül für das Bakterium zu agieren, was weiteren oxidativen Stress signalisiert", so das Forschungsteam.


Die Arbeiten wurden gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1316, des Graduiertenkollegs 2341 und des Projekts BA 4193/7-1.

Tim Dirks, Marco Krewing, Katharina Vogel, Julia E. Bandow: The Cold Atmospheric Pressure Plasma-generated Species Superoxide, Singlet Oxygen and Atomic Oxygen Activate the Molecular Chaperone Hsp33, in: Journal of the Royal Society Interface, 2023, DOI: 10.1098/rsif.2023.0300