Was ist eine Flagelle?

Ein Motor in der Zellhülle

Viele Bakterien können schwimmen. Salmonella, das Bakterium, mit dem wir vor allem arbeiten, besitzt dafür mehrere Flagellen (Geißeln): lange, schraubenförmige Fäden, die Filamente. Jedes Filament wird von einem Rotationsmotor in der Zellhülle gedreht und ist um ein Vielfaches länger als die Zelle selbst. Die Energie für den Motor liefern Protonen, die durch seine Statoreinheiten in die Zelle strömen. Drehen sich alle Motoren gegen den Uhrzeigersinn, lagern sich die Filamente zu einem Bündel zusammen, das die Zelle vorantreibt.

Aufbau von innen nach außen

Eine Flagelle besteht aus mehr als 20.000 Proteinbausteinen, die zu etwa zwei Dutzend verschiedenen Proteinen gehören. Die Zelle baut sie in einer festen Reihenfolge von innen nach außen auf: zuerst den Exportapparat und die Ringe in der Membran, dann den Stab durch die Zellwand, den Haken und zuletzt das lange Filament. Die Bausteine für die äußeren Teile gelangen nicht von selbst durch die Membranen. Ein Exportapparat an der Basis der Flagelle entfaltet sie und schleust sie durch einen nur 2 nm breiten Kanal, der durch die gesamte Struktur verläuft. An der Spitze sitzt ein Kappenprotein. Es hilft jedem neuen Baustein, sich zu falten und in das wachsende Filament einzufügen – einem nach dem anderen.

Geradeaus schwimmen und taumeln

Der Motor kann sich in beide Richtungen drehen. Dreht er gegen den Uhrzeigersinn, bilden die Filamente ein Bündel, und die Zelle schwimmt geradeaus. Wechselt er kurz in den Uhrzeigersinn, löst sich das Bündel auf: Die Zelle taumelt und schwimmt danach in eine neue Richtung weiter. Gesteuert wird dieser Wechsel vom Signalprotein CheY. In seiner phosphorylierten Form bindet es an den Rotor und kehrt die Drehrichtung um. Auf diese Weise schwimmt die Zelle auf Nährstoffe zu und von schädlichen Stoffen weg.

Warum wir Flagellen erforschen

An der Flagelle untersuchen wir, wie eine Zelle eine große Proteinmaschine aus vielen Einzelteilen zusammensetzt. Das Injektisom, mit dem Salmonella und andere Krankheitserreger Proteine in menschliche Zellen einschleusen, arbeitet mit demselben Exportmechanismus. Flagellen kosten die Zelle außerdem viel Energie und Protein; deshalb passt sie ihre Herstellung an die Umgebung an. Wir messen, was die Beweglichkeit während einer Infektion kostet und was sie nützt. Verwandte Motoren gibt es auch außerhalb der Flagelle: Das Zorya-System, mit dem sich Bakterien gegen Viren (Bakteriophagen) wehren, enthält einen Membrankomplex mit derselben 5:2-Architektur wie die Statoreinheit des Flagellenmotors.

Drei kurze Animationen

Mehr dazu

Auf der Seite Build a flagellum (auf Englisch) lässt sich der Aufbau Schritt für Schritt durchscrollen. Die Animationen dürfen im Unterricht gezeigt werden (Lizenz CC BY-NC 4.0). Unsere Ergebnisse mit Literaturangaben stehen auf der Forschungsseite (auf Englisch); die Kurzfassung stellt die Arbeitsgruppe auf Deutsch vor.