Schleim, eine Substanz, die wir oft ausschließlich als klebrige und unangenehme Nebenwirkung einer Erkältung wahrnehmen, ist tatsächlich eines der raffiniertesten und am meisten unterschätzten Elemente unseres Immunsystems. Eine kürzlich durchgeführte bahnbrechende Studie am renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat ergeben, dass dieses biologische Material äußerst starke Moleküle enthält, die in der Lage sind, gefährliche Krankheitserreger zu neutralisieren. Im Mittelpunkt dieser Entdeckung steht die Erkenntnis, wie spezifische Verbindungen im Schleim, bekannt als Muzine, das Bakterium Salmonella enterica, einen der weltweit häufigsten Erreger von Lebensmittelvergiftungen und schweren Darminfektionen, aktiv entwaffnen.

Diese Forschung eröffnet völlig neue Horizonte in der Prävention und Behandlung von durch Lebensmittel und Wasser übertragenen Krankheiten. Wissenschaftler am MIT konzentrieren sich nun auf die Entwicklung synthetischer Versionen dieser natürlichen Moleküle, mit dem Ziel, innovative Therapien zu schaffen, die Menschen vor Infektionen schützen könnten, einschließlich des sogenannten „Reisedurchfalls“, von dem jährlich Millionen von Menschen betroffen sind.

Die verborgene Kraft des Verdauungssystems

Unser Körper ist an vielen Stellen mit Schleim ausgekleidet, von den Atemwegen bis zum Verdauungstrakt, wo er die erste Verteidigungslinie bildet. Lange Zeit wurde angenommen, dass seine Rolle primär mechanisch ist – die Schaffung einer physikalischen Barriere, die das Eindringen von Mikroben verhindert. Ein Team unter der Leitung der Professorin für Bioingenieurwesen Katharina Ribbeck beweist jedoch seit Jahren, dass die Rolle des Schleims weitaus komplexer ist. Ihre Arbeit hat gezeigt, dass Schleim keine passive Barriere, sondern ein aktiver biochemischer Schild ist.

Die Schlüsselkomponenten des Schleims sind Muzine, große und komplexe Moleküle, die eine einzigartige, flaschenbürstenähnliche Struktur aufweisen. Sie bestehen aus einem Protein-„Rückgrat“, an das zahlreiche Ketten komplexer Zucker, bekannt als Glykane, gebunden sind. Genau diese komplexe Struktur ermöglicht es den Muzinen, auf erstaunliche Weise mit Mikroben zu interagieren. Frühere Forschungen von Professorin Ribbeck haben bereits gezeigt, wie Muzine den Cholera-Erreger (Vibrio cholerae), das gefährliche Bakterium Pseudomonas aeruginosa und sogar den Pilz Candida albicans wirksam neutralisieren können.

Entschlüsselung des Mechanismus: Wie Muzine Salmonellen neutralisieren

In ihrer neuesten Studie, die in der renommierten Fachzeitschrift Cell Reports veröffentlicht wurde, konzentrierten sich die Forscher auf die Wechselwirkung zwischen Muzinen aus dem Verdauungssystem und dem Bakterium Salmonella enterica. Um Wirtszellen erfolgreich zu infizieren, muss Salmonella sein ausgeklügeltes molekulares Arsenal aktivieren. Zu diesem Arsenal gehört das sogenannte Typ-3-Sekretionssystem (T3SS), das wie eine winzige molekulare Nadel oder Spritze funktioniert. Damit injiziert das Bakterium seine eigenen Proteine direkt in menschliche Zellen, übernimmt die Kontrolle über sie und löst eine Entzündungsreaktion und Krankheitssymptome aus.

Die genetischen Anweisungen zum Bau dieses Angriffssystems befinden sich auf einem spezifischen Teil der bakteriellen DNA, bekannt als „Salmonella-Pathogenitätsinsel 1“ (SPI-1). Wissenschaftler am MIT entdeckten, dass, wenn sie Salmonella einem Muzin namens MUC2 aussetzen, das natürlich im Darm vorkommt, das Bakterium abrupt aufhört, auf SPI-1 kodierte Proteine zu produzieren. Mit anderen Worten, das Muzin entzieht ihm seine Schlüsselwaffe und es wird unfähig zur Infektion.

Durch weitere Untersuchungen entdeckte das Team auch den präzisen molekularen Mechanismus hinter diesem Phänomen. MUC2 wirkt, indem es ein zentrales regulatorisches Protein im Bakterium, bekannt als HilD, gezielt deaktiviert. Dieses Protein fungiert als Hauptschalter – wenn es aktiv ist, löst es eine ganze Kaskade von Genen auf der SPI-1-Insel aus, wodurch die Produktion des T3SS-Systems aktiviert wird. Muzine blockieren HilD, wodurch der gesamte Angriffsmechanismus gestoppt wird, bevor er überhaupt begonnen hat.

Die Struktur ist der Schlüssel: Zucker brauchen Unterstützung

Mithilfe fortschrittlicher Computersimulationen und Laborexperimente konnten die Forscher die genauen Teile des Muzins identifizieren, die für diese Blockade verantwortlich sind. Es zeigte sich, dass bestimmte Monosaccharide (Einfachzucker) innerhalb der Glykanketten, insbesondere GlcNAc und GalNAc, an eine ganz bestimmte Stelle des HilD-Proteins binden können. Die Studie enthüllte jedoch auch ein entscheidendes Detail: Allein haben isolierte Zucker fast keine Wirkung. Sie können HilD nur dann ausschalten, wenn sie am Protein-Rückgrat des Muzins befestigt sind. Dies deutet darauf hin, dass die gesamte „bürstenartige“ Architektur des Muzins eine entscheidende Rolle spielt, da sie eine optimale Präsentation und Bindung der Zucker an das Zielprotein im Bakterium ermöglicht.

Interessanterweise fanden die Forscher heraus, dass das Muzin MUC5AC, das überwiegend im Magen vorkommt, eine ähnliche Fähigkeit besitzt, was darauf hindeutet, dass der Körper über mehrere, komplementäre Abwehrmechanismen verfügt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass sowohl MUC2 als auch MUC5AC auf die gleiche Weise Virulenzgene bei anderen verwandten bakteriellen Krankheitserregern ausschalten können, die ebenfalls HilD als ihren Hauptregulationsschalter verwenden.

Vom Labor zur Apotheke: Die Zukunft der synthetischen Muzine

Diese Entdeckung ist nicht nur von akademischer Bedeutung; sie öffnet die Tür zur Entwicklung einer völlig neuen Klasse von präventiven und therapeutischen Mitteln. Das Team von Professorin Ribbeck plant nun, das gewonnene Wissen zu nutzen, um synthetische Muzine zu entwerfen und herzustellen – Moleküle, die die Funktion natürlicher Muzine nachahmen, aber in großen Mengen hergestellt und gezielt angewendet werden könnten.

Forschungen aus anderen Labors haben gezeigt, dass Salmonella eine Strategie hat, die Abwehr des Wirts zu umgehen, indem es Teile des Verdauungstrakts sucht und angreift, wo die Schleimschicht dünn oder nicht vorhanden ist. „Eine denkbare Strategie wäre, diese Schwachstellen in der Schleimbarriere zu stärken, um Bereiche mit begrenzter Muzinmenge zu schützen“, erklärt Dr. Kelsey Wheeler, eine der Hauptautorinnen der Studie.

Es gibt mehrere realistische Szenarien für die Anwendung dieser synthetischen Moleküle. Eines der vielversprechendsten ist ihre Zugabe zu oralen Rehydratationssalzen. Dies sind Mischungen aus Elektrolyten und Zuckern, die in Wasser gelöst und zur Behandlung von durch Durchfall verursachter Dehydration verwendet werden. Durch die Zugabe von synthetischen Muzinen würde der Patient nicht nur verlorene Flüssigkeit wieder auffüllen, sondern gleichzeitig auch eine aktive Substanz erhalten, die den Infektionserreger selbst bekämpft.

Eine weitere potenzielle Anwendung ist die Entwicklung von Kautabletten, die präventiv eingenommen werden könnten, beispielsweise vor Reisen in Gebiete, in denen Darminfektionen häufig sind. Eine solche „Präexpositionsprophylaxe“ könnte enorme Produktivitätsverluste und Behandlungskosten verhindern und das mit diesen Krankheiten verbundene menschliche Leid erheblich reduzieren. „Muzin-Mimetika wären besonders als präventive Maßnahme nützlich, denn genau so hat der Körper Schleim entwickelt – als Teil des angeborenen Immunsystems, das verhindert, dass eine Infektion überhaupt erst entsteht“, schließt Dr. Wheeler. Die Entwicklung solcher Lösungen könnte eine billige und wirksame Lösung für ein globales Gesundheitsproblem darstellen, das jedes Jahr Schäden in Milliardenhöhe verursacht.