Rolle von Membranen auf die synergistische Wirkung antimikrobieller Peptide

Antibiotika-resistente Bakterien sind ein globales Gesundheitsproblem mit signifikanten sozio-ökonomischen Auswirkungen. Insbesondere für die zunehmend ältere Population oder für immunkomprimierte Patienten müssen effektivere Antibiotikabehandlungen gegen die multi-resistenten Keime gefunden werden. Die Situation verschärft sich zusätzlich durch einen stetigen Anstieg der Anzahl antibiotika-resistenter Bakterien in den letzten drei Jahrzehnten, wobei in derselben Zeitspanne nur zwei neuartige Antibiotika für den Markt zugelassen wurden. Es gibt daher einen dringenden Handlungsbedarf zur Entwicklung von Antibiotika, die auf völlig neuen Wirkmechanismen basieren müssen. Eine vielversprechende Strategie beruht auf der Entdeckung von antimikrobiellen Peptiden, die die Zellmembran von Bakterien physikalisch zerstören, d.h. ohne an Rezeptoren zu binden, und innerhalb von Minuten zum Zelltod führen. Von besonderem Interesse sind synergistische Effekte dieser Peptide, d.h. wenn eine Kombination antimikrobieller Peptide eine wesentlich stärkere Wirkung zeigt als die Summe der einzelnen Peptide. Die Wissenschaft ist allerdings von einem quantitativen Verständnis dieses Effektes noch weit entfernt. Ziel des Projektes ist, die physiko-chemischen Grundlagen der synergistischen Wirkung antimikrobieller Peptide aufzuklären. Der Fokus des Projektes liegt dabei auf der Rolle der äußeren Membran von Bakterien und ihrem strukturell/dynamischen Wechselwirkung mit den Peptiden. Möglicherweise ermöglicht eine Vorkonditionierung der Membran durch ein Peptid eine effektivere Membranperturbation durch das zweite Peptid. Die Aufgabenstellung des Projektes wird mit einer einzigartigen Kombination experimenteller und theoretischer Methoden bearbeitet. Insbesondere werden (i) Röntgen/Neutronenstreuung zur Charakterisierung struktureller und elastischer Parameter von bakteriellen Membranmodellen und Peptid-induzierter Membrandomänen, (ii) Festkörper NMR zur genauen Bestimmung der Lage und Orientierung der Peptide in orientierten Membranen sowie der Peptidaggregation und Dynamik, und (iii) Molekular Dynamik Simulationen, um auf atomarer Ebene Einblicke in die molekularen Wechselwirkungen zu bekommen, hierbei zum Einsatz kommen. Zusätzlich werden neue Methoden entwickelt, die mittels Festkörper NMR Spektroskopie eine Analyse der Dynamik membrangebundener Peptide und Korrelation der Bewegung von Peptiden und Lipiden in einer Membran ermöglichen werden. Dieser Forschungsansatz ermöglicht eine vollständige quantitative Beschreibung der synergetischen Wirkungsweise antimikrobieller Peptide. Spezifisches Augenmerk wird auf Mischungen aus antimikrobiellen Peptiden der Froschhaut (PGLa und Magainin 2) und auf dimere Peptide wie das Heterodimer Distinctin und Homodimer Homotarsinin gelegt werden. Zusätzlich zu diesen natürlich vorkommenden Dimeren sollen mittels chemischer Synthese gekoppelte Dimere aus PGLa und Magainin 2 untersucht werden. Mit diesem Ansatz können die Beiträge von gleichen oder ungleichen Peptidhelices zur synergistischen Wirkung erforscht werden. Gleichzeitig soll die Frage geklärt werden, ob Peptide für eine synergistische Wirkung bevorzugt paarweise wechselwirken. Es ist zu erwarten, dass dieses Projekt zu bahnbrechenden wissenschaftlichen Erkenntnissen führen wird, die uns erlauben werden, die molekularen Mechanismen der synergistischen Wirkung antimikrobieller Peptide zu beschreiben und damit die Grundlage für zukünftige neuartige Ansätze in der Antibiotikatherapie basierend auf einem biophysikalischen Ansatz zu schaffen.

Antibiotika-resistente Bakterien stellen ein globales Gesundheitsproblem mit signifikanten sozio-ökonomischen Auswirkungen dar, das sich aufgrund eines steten Anstiegs der Anzahl resistenter Keime gekoppelt mit einer Abnahme der Zulassung von neuartigen Antibiotika weiter verschärft. Es gibt daher einen dringenden Handlungsbedarf zur Entwicklung von Antibiotika mit völlig neuen Wirkmechanismen. Im Fokus dieses Projekts standen daher die synergistische Wirkung zweier antimikrobieller Peptide aus der Froschhaut, PGLa und Magainin-2, d.h. die Kombination der beiden Komponenten hat eine stärkere Wirkung als die Summe der Einzelkomponenten. Eine solche Wirkung wurde jedoch nur in Systemen gefunden, die Plasmamembranen von Gram- negativen Bakterien wie E. coli oder P. aeruginosa entsprechen, was auf eine entscheidende Rolle der Lipidzusammensetzung hinweist. Die Hauptkomponente, Phosphatidylethanolamin, nimmt hierbei eine Schlüsselrolle ein. Dieses Lipid, charakterisiert durch eine konusförmige Molekülgestalt, bildet eine schwer zu überwindende energetische Barriere, die in Gegenwart beider Peptide leichter durchbrochen wird und eine Einlagerung in der Grenzfläche ermöglicht. In Folge kommt es zu einer massiven Störung der Zellmembran und letztlich zum Tod der Bakterien. Im Zusammenspiel der komplementären biophysikalischen Methoden der Arbeitsgruppen an der Universität Graz bzw. Strasbourg und dem CEITEC in Brünn konnte ein molekulares Bild von dem Prozess gewonnen werden. Die Lage und Orientierung der Peptide wurde in erster Linie mittels Festkörper-NMR Messungen an orientierten Lipidmembranen bestimmt (Strasbourg). Durch Kombination von Röntgen- und Neutronen- streuexperimenten und einer neu entwickelten Datenanalyse (Graz), die auch Informationen aus Moleküldynamik Simulationen (Brünn) miteinbezieht, konnten Details geklärt werden: In Gegenwart von Magainin-2 dringt PGLa weniger tief in die Zellmembran ein und führt dadurch im synergistischen Konzentrationsbereich zur Verschmelzung von Lipidvesikeln zu großen multilamellaren Aggregaten. In Übereinstimmung mit NMR Messungen bilden dabei die beiden Peptide faserartige Strukturen. Unsere Studien zeigen auf, dass für die synergistische Wirkung der beiden Peptide keinesfalls - wie häufig in der Literatur beschrieben - eine stabile Pore in der Zellmembran gebildet werden muss. Die Aufklärung des molekularen Mechanismus der synergistischen Wirkung antimikrobieller Peptide könnte die Grundlage für zukünftige neuartige Ansätze in der Antibiotikatherapie für Gram-negative Bakterien schaffen. Insbesondere multiresistente Keime von Enterobacter, die Blut- und Harnwegsinfekte verursachen, oder Acinetobacter, ein häufiger Krankenhauskeim, der praktisch Resistenzen gegen alle Antibiotika entwickelt hat, stellen die Mediziner vor große Herausforderungen.