Synthese und Biologische Funktionen von Polysialinsäuren

Glykane (oder Zuckerstrukturen) besitzen eine Vielzahl von Funktionen und bilden unter anderem die Kommunikationsfront jeder lebenden Zelle. Jüngste Arbeiten liefern eindrucksvolle Beweise für die vielfältigen Funktionen des auf Zucker basierenden Polymers-Polysialinsäure (PolySia) bei der Vorbeugung und Therapie menschlicher Krankheiten. Insbesondere scheint PolySia mit einer bestimmten Kettenlänge immunologische und neurologische Gegebenheiten zu modulieren. Aufgrund ihrer Komplexität ist PolySia jedoch schwierig herzustellen was Untersuchungen zur molekularen Wirkungsmechanismen verhindert. Das übergeordnete Ziel dieses Antrages besteht darin ein nachhaltiges System zu generieren das PolySia mit kontrollierter Kettenlänge erzeugt um dann detaillierte Informationen zu biologischen Funktionen zu erarbeiten. Dazu werdenbestimmtemenschlicheundbakterielle Enzyme mit molekularbiologischen Methoden gezielt verändert und diese dann in Pflanzen transferiert wo sie das gewünschte Produkt herstellen sollen (Plant pathway engineering). Untersucht werden auf PolySia basierende Funktionen wie entzündungshemmende Wirkung oder Serum Stabilität in Tiermodellen. Die beiden Antragstellerinnen sind führende Expertinnen in den Bereichen Engineering von Pflanzensynthesewegen und Glykanstrukturen und PolySia-Biologie/Immunologie. Es wird erwartet, dass diese Zusammenführung der wissenschaftlichen Kompetenzen einzigartige Synergien erzeugt, die die Etablierung neuer Wege inder Synthese komplexer Zuckerverbindungen möglich macht und so zur Aufklärung der biologischen Funktionen beiträgt.

Die Glykosylierung ist ein biochemischer Prozess, bei dem ein Kohlenhydrat (Glykan) kovalent an Moleküle gebunden wird, wodurch verschiedene biologische Funktionen wie Proteinfaltung oder Protein-Protein-Wechselwirkungen beeinflusst werden. Sialylierung ist eine besonders komplexe Glykanmodifikation bei Säugetieren, bei der der Zucker Sialinsäure am Ende einer Oligosaccharidkette eingebaut wird. Die Sialylierung von Proteinen spielt eine entscheidende Rolle bei der zellulären Kommunikation, der Immunregulation und bei Krankheitsprozessen. Im Rahmen des Projekts wurden mehrere neuartige Enzyme und Proteine charakterisiert, die am komplexen Biosyntheseweg der menschlichen Sialinsäure beteiligt sind. Dieses Wissen wurde genutzt, um zielgerichtete Glykanstrukturen auf rekombinanten Proteinen zu entwickeln, die in einem pflanzlichen Expressionssystem hergestellt wurden. Pflanzen produzieren keine proteingebundenen Glykanstrukturen mit Sialinsäure und sind daher ein optimales Produktionssystem für die gezielte De-novo-Synthese. Genom-Editierung in Kombination mit synthetischer Biologie wurde eingesetzt, um die Expression rekombinanter Proteine und die Produktion definierter homogener Glykane für funktionelle Studien zu optimieren. Eine Reihe von Proteinen von therapeutischem Interesse, darunter verschiedene monoklonale Antikörperformate, wurden charakterisiert, um die Auswirkungen von definierten Glykosylierungsprofilen auf die Antigenbindung, die Virusneutralisationskraft und die Immunrezeptorinteraktion zu bewerten. Die Ergebnisse verdeutlichten die Bedeutung einer gezielten Glykosylierung für die Funktion rekombinanter Antikörper. Eine besondere Herausforderung bestand in der koordinierten Expression von Genen aus entfernt verwandten Arten wie Bakterien oder Säugetieren in Pflanzen. Durch umfangreiche und kreative Modifikationen, die beispielsweise die subzelluläre Lokalisierung beeinflussen, konnten neue Glykan-Biosynthesewege von Säugetieren wie Poly-Sialylierung und KDNylierung in Pflanzen eingeführt werden. Es wurden innovative Reinigungsmethoden für die Herstellung hochreiner Glykansubstanzen entwickelt. Diese hochwertigen Substanzen werden nun zur Untersuchung biomedizinisch interessanter Aktivitäten, wie z. B. entzündungshemmender Wirkungen, eingesetzt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Pflanzen eine nachhaltige und umweltfreundliche Ressource für die Herstellung von Produkten auf Sialinsäurebasis darstellen. Die Ergebnisse dieses Projekts könnten als Modell für die intensive artübergreifende Entwicklung von Organismen zur Herstellung innovativer biomedizinischer Produkte dienen. Die Ergebnisse des Projekts bilden die Grundlage für eine Reihe von Folgeprojekten, die darauf abzielen, das volle Potenzial von pflanzlich hergestellten glykotechnisch hergestellten Produkten für verschiedene Anwendungen zu erschließen, darunter diagnostische Hilfsmittel und optimierte Therapeutika für die Behandlung von Infektionen oder menschlichen Krankheiten.