Glykobiologie des oralen Bakteriums Selenomonas sputigena

Periodontitis ist als Hauptursache für Zahnausfall von globalem Interesse. Periodontitis ist eine Entzündungser- krankung des Periodontiums, die durch einen oralen, polymikrobiellen Biofilm ausgelöst wird. Derzeitige Ansätze zur Erforschung der nicht vollständig verstandenen Etiologie von Periodontitis richten sich verstärkt auf die Interaktion zwischen den vielen Bakterien in der oralen Biofilm-Gemeinschaft. Die strukturellen, funk- tionellen und molekularen Eigenschaften von Glykokonjugaten als die häufigsten Dekorationen von Zellen, berechtigen zur Annahme, dass diesen Molekülen eine entscheidende Rolle in der Kommunikation und Erkennung zwischen Bakterien zukommt. Basierend auf eigenen Daten zur Glykobiologie des paradontal- pathogenen Bakteriums Tannerella forsythia (Projekte P20605 und P24317), und immunologischer Forschung von anderen, besagt unsere Hypothese, dass bestimmte Vertreter der oralen Biofilm-Bakterien ein vielseitiges, unerforschtes Glykom besitzen und, dass ihre Zelloberflächen-Glykobiologie wegweisend für die Interaktionen in der Biofilm-Gemeinschaft und für die Entwicklung und die Eigenschaften von Zahnplaque sind. Selenomonas sputigena (Selspu) ist ein orales, Gram-negatives, begeißeltes, bewegliches, anaerobes Bakter- ium, das, obwohl es mit Periodontitis in Zusammenhang gebracht wird, weitgehend unerforscht ist. Ausgehend von eigenen jüngsten Forschungsergebnissen, postulieren wir, dass Selspu verschiedene, auf Glykobiologie basierende, Strategien zur Kolonisierung des oralen Habitats und zum Überleben in diesem verfolgt. Unsere Daten indizieren: (i) Selspu besitzt ein ausgeprägtes Glykoproteom, basierend auf starker Reaktivität eines Zellextraktes nach Auftrennung mittels SDS-PAGE mit Kohlenhydrat-färbenden Agentien und mit Lektinen; (ii) Es gibt Hinweise, dass Selspu glykosylierte Flagellen besitzt; diese könnten ein entscheidender Koloni- sierungs- und Pathogenitätsfaktor sein; (iii) Die von uns nachgewiesene Co-Aggregation von Selspu mit T. for- sythia könnte eine Assoziation mit den pathogenitätsbildenden Effekten der Bakterien des roten-Komplexes aufzeigen, und (iv) Das Genom von Selspu kodiert reichhaltige Glykobiologie-Information. Die Vorhersage von speziellen Zuckerresten, wie L-Fukose (ein immunogener Zucker), Pseudaminsäure (nachgewiesen auf Flagellen von Pathogenen und verschiedenen Proteinen von T. forsythia), beta-O-Acetylglukosamin (ein seltener Zucker in Bakterien) und 4-Amino-Arabinose (als Modifikation von Lipid A beteiligt an der Resistenz gegenüber antimikrobiellen Peptiden), macht Selspu zu einem idealen Bakterium, um unser glykobiologisches Verständnis von oralen Biofilm-Bakterien zu erweitern. Um einen Einblick in die Glykobiologie von Selspu, als Basis für die Abschätzung seiner Relevanz für die Entwicklung von Zahnplaque zu erhalten, sind unsere Ziele im Rahmen dieses Projekts: A) Identifizierung pro- minenter Selspu Glykoproteine und Ermittlung ihrer Glykosylierung; B) Analyse der Flagellen-Glykosylier- ung; C) Strukturuntersuchung des Lipopolysaccharids und D) Analyse der Biofilmmatrix mit Fokus auf das Exo-Polysaccharid. Die Work-Packages werden durch Transkriptionsanalyse der genomischen Selspu Glyko- sylierungs-Loci und die Untersuchung ausgewählter Kohlenhydrat-aktiver Enzyme begleitet. Dieses Projekt hat das Ziel, verschiedene Glykobiologie-Aspekte eines Zahn-Plaque Bakteriums zu ent- schlüsseln und trägt dazu bei, bakterielle Strategien in der Pathogenese von Periodontitis aufzuzeigen. Daraus können sich neue Ansatzpunkte zum Eingriff in die Mechanismen der Biofilm-Gemeinschaft und somit zur Bekämpfung von Periodontitis ergeben.

Die stetige Entwicklung von Antibiotika-Resistenzen macht die Suche nach Alternativen zur Bekämpfung bakterieller Infektionen dringend erforderlich. Ein vielversprechender Ansatzpunkt dafür sind Zuckerketten, die man an der Oberfläche vieler pathogener Bakterien findet. Unser Forschungsschwerpunkt liegt in der Aufklärung der Zelloberflächen- Zuckerbiologie von oralen Pathogenen, die Periodontitis verursachen. Periodontitis ist die weltweit häufigste Entzündungserkrankung bakteriellen Ursprungs. Sie ist, in chronischer Form, die Hauptursache für Zahnausfall und beeinflusst auch die systemische Gesundheit. Das gegenständliche Projekt befasst sich mit dem kaum erforschten Bakterium Selenomonas sputigena; sein Pathogenitätsstatus ist nicht bekannt, aber wir fanden heraus, dass es mit dem Periodontitis-Erreger Tannerella forsythia interagiert. Unser Ziel ist es, einen Einblick in die Zuckerstrukturen an der Oberfläche dieser beiden Bakterien zu erhalten und zu ermitteln, wie diese die Pathogenität beeinflussen. Dazu wurde ein breites Spektrum an mikrobiologischen, biochemischen und immunologischen Techniken in Kombination mit maßgeschneiderter Methodenentwicklung angewandt. Die wesentlichen Ergebnisse aus diesem Projekt sind: (i) Entdeckung eines Bakteriengeißel- Proteins als häufigstes Protein mit Zuckerketten (Glykoprotein) an der Oberfläche von S. sputigena. Diese Zuckerketten sind in hoher Anzahl vorhanden und enthalten einen besonderen Zucker, der nur in Bakterien vorkommt, was dieses Glykoprotein für die Wirkstoffentwicklung interessant macht. (ii) S. sputigena enthält ein Komposit aus Zucker und Lipid in seiner Zellmembran (Lipopolysaccharid), das eine neuartige Zusammensetzung besitzt. Auf Grund seiner hohen immunstimulatorischen Wirkung scheint die Klassifizierung von S. sputigena als Pathogen gerechtfertigt. (iii) Eine vergleichende Genomanalyse verschiedener T. forsythia Stämme hat eine konservierte Anordnung von Genen gezeigt, die die Synthese von Zuckerstrukturen steuern. Besonders wichtig sind die Gene für Zuckersäuren (Nonulosonsäuren), die eine Signatur des Periodontitis-Erregers darstellen. (iv) Diese Zuckersäuren dekorieren die oberflächlichen Zuckerketten von T. forsythia und sind für die Etablierung des Bakteriums im Zahnplaque essentiell. (v) Die Nonulosonsäuren wirken quasi als Maskierung von T. forsythia wodurch das Bakterium im frühen Infektionsstadium für den Wirt unerkannt bleibt uns sich verbreiten kann. Dieses Projekt leistet einen Beitrag zum besseren Verständnis der weitgehend unerforschten Zelloberflächen oraler Pathogene, mit Fokus auf deren Zuckerstrukturen. Unsere Ergebnisse legen eine Beteiligung der Zuckerstrukturen an der Pathogenität von S. sputigena und T. forsythia nahe, indem diese die Interaktion mit dem Wirt beeinflussen. Somit konnten wir potentielle Zielstrukturen für Diagnostik und Therapie aufzeigen. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt gehen über den Grundlagenforschungsbereich hinaus und können wegweisend für Ansätze zur Prävention und Behandlung von Periodontitis sein.