Synthetische Glykobiologie (SynGlycTis)

Bisher wurden große Fortschritte bei der Entwicklung von Protozellen erzielt, die auf "giant unilamellar vesicles" (GUVs) basieren. Ein essentielles funktionales Element aller lebenden Zellen, das solchen Systemen bisher noch fehlt, ist eine Glykokalyx. Diese Hülle, bestehend aus komplexen Kohlenhydraten, erstreckt sich bis zu 100 nm von der Zellmembran und stellt eine adhesive Schicht dar, die Interaktionen zwischen verschiedenen Zelltypen, Viren und Signalmolekülen vermittelt. In den meisten Fällen sind an den Interaktionen spezifische Kohlenhydrat- Bindeproteine, sog. Lektine, beteiligt, die entweder löslich oder membrangebunden vorliegen. So wird etwa die Befruchtung einer Eizelle dadurch ausgelöst, dass ein spezifisches Lektin auf dem Kopf des Spermiums an ein bestimmtes Kohlenhydrat an der Oberfläche der Eizelle bindet. Die Interaktionen zwischen Proteinen und Kohlenhydraten vermitteln außerdem die Endozytose vieler Bakterien, Viren und bakterieller Toxine, die an spezifische Glykolipide auf der Zellmembran anhaften. Protein-Kohlenhydrat Wechselwirkungen repräsentieren daher eine generelle Strategie, Zelladhäsion und Einschleusungsprozesse in Zellen zu ermöglichen. Das Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist die Bereitstellung eines modularen "Baukastens" für synthetische Glykokalix Komponenten. Speziell modifizierte Lektine sollen an Lipidmembranen gebunden werden, um reversible Protozell-Adhäsion zu ermöglichen; außerdem sollen virusähnliche Partikel damit funktionalisiert werden, sodass sie in Protozellen eingeschleust werden können. Die Methodik wird beispielhaft an der Konstruktion von Protozellen gezeigt, die "Protoorganellen" enthalten, sowie der Assemblierung und Remodellierung von "Protogeweben", in welchen verschiedene Typen von Protozellen in einer vordefinierten Form kombiniert werden, um komplexere Systeme zu erzeugen. SynGlycTis ist ein transnationales Kooperationsprojekt zwischen Forschergruppen aus Großbritannien, Frankreich, Dänemark, Deutschland und Österreich. Das österreichische Teilprojekt befasst sich dabei mit der Modifikation von Lektinen mit nicht-kanonischen Aminosäuren. Diese Aminosäureanalogen können chemische Gruppen in Proteine einbringen, die über die, vom genetischen Code vorgeschriebenen, 20 kanonischen Aminosäuren nicht verfügbar sind. Wir planen die Kohlenhydrat-Bindung der Lektine zu manipulieren, indem wir spezifische Aminosäurereste, die bei der Bindung der Zuckermoleküle eine wichtige Rolle spielen, durch geeignete nicht-kanonische Aminosäuren ersetzen. Die so erzeugten synthetischen Lectine werden biochemisch charakterisiert und die 3D- Struktur vielversprechender Kandidaten soll aufgeklärt werden. Lektine, die mit geeigneten reaktiven Aminosäureanalogen funktionalisiert sind, wollen wir in bioorthogonalen Konjugationsreaktionen mit kleinen Molekülen verknüpfen. Mit diesen Lektin-Konjugaten werden anschließend Lipidmembranen und virusähnliche Partikel dekoriert, um so die Bildung von "Protoorganellen" und "Protogeweben" zu ermöglichen.

Im ERASynBio Projekt SynGlycTis wurden Lipidtröpfchen, sogenannte Protozellen, erfolgreich so funktionalisiert, daß sie quervernetzt werden konnten, wodurch erstmals synthetische Protogewebe gebildet wurden. Die Oberfläche jeder lebenden Zelle ist von einem Wald von Kohlenhydraten bedeckt. Proteine auf der Oberfläche einer Zelle können mit der Kohlenhydrathülle einer anderen interagieren, wodurch die Zellen aneinander haften. In ähnlicher Weise ermöglichen Protein-Zucker Interaktionen an der Zelloberfläche das Eindringen von Viren. Das Ziel des vorliegenden Projekts war die Entwicklung von Kohlenhydrat- und Proteinkomponenten, die natürliche Adhäsions- und Einschläusprozesse an artifiziellen Protozellen ermöglichen. Um die Interaktion von Proteinen mit einem Zucker zu modulieren, wurden chemische Modifikationen auf genetischer Ebene in die Zuckerbindeproteine eingebracht. Für eine verbesserte Bindung des Zuckers, wurden die Zuckerbindeproteine miteinander fusioniert, um komplexe Superstrukturen zu erzeugen. Bakterielle Toxine und Ankergruppen, wie z.B. Lipide und Peptide wurden an die Zuckerbindeproteine gekoppelt, um sie auf den Protozellen zu verankern. Protozellen, die mit diesen modifizierten Zuckerbindeproteinen dekoriert waren, ließen sich vernetzen und fusionierten zu komplexen synthetischen Protogeweben. Die Bündelung der komplementären Expertisen der Projektpartner aus Großbritannien, Frankreich, Dänemark, Deutschland und Österreich im SynGlycTis Konsortium ermöglichte eine systematische Verfolgung der Projektziele. Das österreichische Teilprojekt fokussierte dabei auf die genetische Codierung der chemischen Proteinmodifikationen und auf die chemische Ligation von Proteinen. Die möglichen Anwendungen der aus SynGlycTis resultierenden synthetischen Gewebe reichen von der Gewebezüchtung bis hin zur industriellen Biotechnologie.