Studierende im Masterstudium der Nanowissenschaften an der Universität Basel absolvieren zwei Projektarbeiten in zwei unterschiedlichen Fächern, bevor sie dann eine abschliessende Masterarbeit schreiben. Julius Winter, der gerade sein Masterstudium in Nanowissenschaften beendet, hat eine seiner Projektarbeiten in der Gruppe von Professor Marek Basler am Biozentrum absolviert. Und das mit Erfolg! Zusammen mit seinem Betreuer Andrea Vettiger untersuchte er den Aufbau einer Nanoharpune, mit der Bakterien Giftstoffe in andere Zellen injizieren. Die Ergebnisse der Arbeit wurden im Juli 2017 in «Nature Communications» veröffentlicht.

Mit Nanoharpunen ausgestattet
Bakterien behaupten sich in ihrem natürlichen Umfeld mit vielfältigen «Waffen». Eine davon ist eine winzige Harpune, mit der sie andere Bakterien und Zellen regelrecht beschiessen und direkt Gifte injizieren können. Verschiedene Bakterienarten nutzen diese Nanoharpune, um sich gegenüber Konkurrenten zu behaupten oder sich gegen Abwehrzellen eines Wirts zu Wehr zu setzen. Die Gruppe des Infektionsbiologen Professor Marek Basler vom Biozentrum untersucht den Aufbau und die Funktionsweise eines bestimmten Harpunen-Typs, Typ VI Sekretionssystem (T6SS) genannt, bei verschiedenen Bakterienarten. Die Wissenschaftler hoffen durch ihre Arbeit neue Ansätze zur Behandlung von bakteriellen Infektionen zu identifizieren, da die Harpunen oft eine entscheidende Rolle im Infektionsprozess spielen.

Die Wissenschaftler in der Gruppe von Marek Basler konnten bereits aufklären, dass die Harpune aus einem mit einer Spitze versehenen inneren Pfeil und einer äusseren Hülle besteht, die einer Springfeder ähnelt. Die äussere Hülle kann sich innerhalb von Millisekunden zusammenziehen. Der zentrale Pfeil wird dabei aus dem Bakterium herausgeschossen. Er durchstösst die Zellmembran angrenzender Zellen. Durch diesen Prozess können so mittels physischer Kraft Giftstoffe in Zielzellen injiziert werden. Nach dem Abschuss der Harpune wird der gesamte Injektionsapparat in seine Einzelteile zerlegt und wieder neu aufgebaut. Bisher hatten die Forscher noch nicht eindeutig belegt, ob sich beim T6SS-Aufbau die Hülle an ihrer Basis verlängert oder das Wachstum an der Hüllenspitze erfolgt.

Untersuchung mit Riesenzellen
Genau hier setzte die Projektarbeit von Julius Winter an. Für seine Untersuchungen arbeitete er mit Zellen des Choleraerregers Vibrio cholerae. Durch Zugabe des Antibiotikums Ampicillin, das den Aufbau der Zellwand verhindert, produzierte er zunächst Zellen, die ohne Zellwand wachsen. Die Zellen können sich nicht mehr teilen, wachsen jedoch kontinuierlich weiter. Durch die antibiotische Behandlung verlieren die Bakterien ihre typische stäbchenförmige Form und blähen sich auf wie ein Ballon. Diese Zellen, auch Sphäroblasten genannt, erreichen eine Grösse von mehreren Mikrometern, was die mikroskopische Analyse erleichtert.

Um den Aufbau der Harpunen zu verfolgen, markierten Julius Winter und sein Betreuer Andrea Vettiger die Harpunenhüllen selektiv mit Grün fluoreszierendem Protein (GFP). Dadurch konnten die Wissenschaftler den Aufbau der Hülle in lebenden Zellen mittels Fluoreszenzmikroskopie in Echtzeit beobachten. Sie konnten zunächst zeigen, dass die zellwandlosen Sphäroblasten auch weiterhin funktionstüchtige Harpunen bilden. Um nun herauszufinden, an welchem Ende sich die Harpune verlängert, bestrahlten sie die Zellen für den Bruchteil einer Sekunde mit einem präzisen, hochenergetischen Laserstrahl, der spezifisch einen Teil der sich aufbauenden Harpunenhülle traf. «Der Laser beschädigt die Harpunenhülle nicht, reduziert jedoch die Emission des Fluoreszenzproteins und hinterlässt dabei eine gebleichte Stelle, die unter dem Fluoreszenzmikroskop dunkel erscheint», erklärt Julius Winter. Die Forscher beobachteten anschliessend, ob sich beim Wachstum der Harpunenhülle der dunkle Bereich der Hülle verschiebt oder sich der Bereich der Hüllenspitze verlängert. Diese Untersuchung lieferte den ersten experimentellen Beweis, dass sich die Harpunenhülle nicht von der fest verankerten Basis aus verlängert, sondern am distalen Ende.

Die Ergebnisse, die im Juli in «Nature Communications» veröffentlicht wurden, zeigten zudem deutlich, dass sich die zellwandlosen Sphäroblasten aufgrund der grösseren und längeren Hüllenstrukturen bestens eignen, um die Dynamik sowie die Funktionsweise der Bakterienharpune zu untersuchen. Für Julius Winter war es ein schöner, unerwarteter Erfolg mit seiner Projektarbeit Co-Autor eines Papers in einem so renommierten Journal zu werden.

Wertvolle Erfahrung an der UC Berkeley
In der Zwischenzeit hat Julius Winter eine weitere Projektarbeit an der University of California Berkeley (UC Berkeley) absolviert. «Ich habe ganz unbürokratisch per Mail in der Gruppe von Dr. Jeff Urban angefragt, ob die Möglichkeit für einen Forschungsaufenthalt bestünde und gleich eine Zusage erhalten», berichtet er. Mit einem Reisestipendium des SNI ausgestattet arbeitet er vier Monate lang an der Entsalzung von Meerwasser mithilfe von Nanopartikeln und genoss vor allem auch das besondere Flair an der UC Berkeley und die Nähe zu San Francisco.

Die Arbeit in einem biologischen Labor und vor allem die Fluoreszenzmikroskopie liessen ihn jedoch nicht mehr los, sodass er für seine Masterarbeit ins Labor von Marek Basler zurückkehrte. Er untersuchte dort weiterhin die Bakterienharpune. Diesmal entwickelte er ein Mikrofluidsystem, das einen schnellen Wechsel des Kulturmediums erlaubt, sodass der Einfluss verschiedener Komponenten des Nährmediums auf den Aufbau der Bakterienharpune untersucht werden kann. «Während der kurzen Zeit in unserem Labor, hat Julius einen phantastischen Beitrag zum Verständnis des T6SS-Aufbaus geleistet. Für mich war klar, dass Julius das Talent besitzt auch schwierige Experimente durchzuführen. Zudem ist er interessiert und begierig, Antworten auf biologische Fragestellungen zu finden. Ich war daher sehr froh, dass Julius wieder zurück in unser Labor gekommen ist und uns unterstützt, eine neue Technologie zur Untersuchung von Bakterien zu entwickeln», kommentiert Marek Basler.

Erst Physik und Chemie, dann Biologie
Nun hat Julius sein Nanowissenschaftsstudium fast abgeschlossen. Als er sich 2012 für die Nanowissenschaften entschied, war es vor allem die Kombination von Physik und Chemie, die ihn interessierte. Mit den verschiedenen Vorlesungen und praktischen Arbeiten kam seine Begeisterung für biologische Fragestellung dazu. Der 23-jährige Deutsche möchte gerne auch weiterhin in der Forschung arbeiten, jedoch nicht unbedingt sofort eine Doktorarbeit anschliessen und vor allem noch mehr Erfahrung ausserhalb von Basel sammeln. Wir wünschen ihm weiterhin viel Glück und Enthusiasmus bei diesem nächsten Schritt.