Wissenschaftler entschlüsseln die Struktur des für Botulismus verantwortlichen Toxins

Wissenschaftler entschlüsseln die Struktur des für Botulismus verantwortlichen Toxins
Wissenschaftler entschlüsseln die Struktur des für Botulismus verantwortlichen Toxins
Anonim

Die Arbeit könnte bei der Entwicklung eines rekombinanten Impfstoffs helfen, um tödliches Gift zu deaktivieren

UPTON, NY - Die von Clostridium botulinum-Bakterien produzierten Toxine gehören zu den tödlichsten, die der Menschheit bekannt sind. Ein eingenommener Tropfen kann den Körper einschließlich der Atemmuskulatur lähmen und zum Tod durch Ersticken führen. Nun, in einem ersten Schritt, um diese tödlichen Gifte effektiv zu deaktivieren, haben Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums die Struktur eines der Toxine entschlüsselt und herausgefunden, wie es sich an die Nervenzellen bindet, die es angreift.

"Da die Bindung an die Nervenzelle der erste Schritt bei einer Neurotoxinvergiftung ist, könnte uns das Verständnis dieser Wechselwirkung auf molekularer Ebene dabei helfen, einen Impfstoff zu entwickeln, der verhindert, dass sich das Toxin anlagert", sagt der Biologe Subramanyam Swaminathan aus Brookhaven, der das leitet Forschungsgruppe. Ein solcher Impfstoff oder andere therapeutische Medikamente, die auf der Molekularstruktur des Toxins basieren, wären von unschätzbarem Wert für Menschen, die mit Botulinum verseuchte Lebensmittel konsumieren, und für Soldaten auf dem Schlachtfeld oder andere, die der Bedrohung durch biologische Waffen ausgesetzt sind. "Man muss die Toxizität verstehen und wie sie funktioniert, um vorbeugende Maßnahmen zu finden", sagt Swaminathan.

Um die Molekularstruktur des Toxins zu entschlüsseln, bombardieren die Wissenschaftler kristalline Proben mit hochintensiven Röntgenstrahlen an der National Synchrotron Light Source (NSLS) in Brookhaven, einer der am häufigsten genutzten wissenschaftlichen Einrichtungen der Welt. Indem sie untersuchen, wie sich die Röntgenstrahlen beugen, wenn sie von Teilen des Kristalls abprallen oder diese passieren, arbeiten die Wissenschaftler rückwärts, um die Form und Anordnung der Atome im Molekül zu rekonstruieren.

"Ohne die intensiven Röntgenstrahlen der NSLS wäre dies sehr schwierig", sagt Swaminathan.

Die aktuellen Studien betrafen Botulinum-Neurotoxin B, eine von sieben Arten, die von Clostridium botulinum-Bakterien produziert werden. Wissenschaftler haben zuvor die Struktur von Botulinum-Neurotoxin A analysiert, jedoch mit einer viel geringeren Auflösung. Der Detaillierungsgrad der aktuellen Analyse ist beispiellos.

Die Wissenschaftler haben den Teil des Toxinmoleküls analysiert, der an Nervenzellen bindet, sowie den Teil, der aktiv die Freisetzung von Neurotransmittern blockiert – den chemischen Botenstoffen, mit denen Nervenzellen untereinander und mit Muskelzellen kommunizieren. Es ist nun mehr Arbeit erforderlich, um zu verstehen, wie sich das Toxin durch die Zellmembran bewegt. Wege zu finden, einen dieser Schritte zu blockieren, könnte das Toxin möglicherweise aufh alten.

Dieses detaillierte Wissen über den Wirkungsmechanismus des Toxins könnte neben der Stimulierung der Impfstoffentwicklung auch die Verwendung des Toxins in mehreren therapeutischen Anwendungen verbessern.Botulinumtoxine werden derzeit zur Behandlung einer Vielzahl von unwillkürlichen Bewegungsstörungen eingesetzt. Durch Injektion kleinster Mengen des Toxins in die verkrampften Muskeln, die beispielsweise Gesichtszuckungen, Schreibkrampf oder Stottern verursachen, konnten Ärzte die Muskulatur beruhigen. Behandlungen sind jedoch nur vorübergehend und müssen wiederholt werden. Das Verständnis der Struktur des Toxins könnte die Wirksamkeit dieser Behandlungen verbessern.

Die aktuelle Forschung könnte auch zu besseren Tests auf das Vorhandensein des Toxins in Lebensmitteln und in Waffen oder Waffenfabriken führen. Ein direktes Ziel der Forschung, die vom Chemical and Biological Non-Proliferation Program des US-Energieministeriums finanziert wird, ist die Bereitstellung verbesserter Mittel zum Nachweis und zur Begrenzung der Verbreitung von Toxinen und biologischen Waffen.

Die Brookhaven-Wissenschaftler arbeiten mit winzigen Mengen an gereinigtem Botulinumtoxin, das sie vom Food Research Institute in Wisconsin unter strenger Regulierung und mit Genehmigung der U.S. Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten in Atlanta. Nur autorisierte Wissenschaftler haben Zugang zum Labor.

Beliebtes Thema