Multidimensionsstudie über antimikrobielle Peptide in E. coli

Weltweit ist ein rasender Anstieg an multi-resistenten pathogenen Keimen, insbesondere in Intensivstationen von Krankenhäusern, zu beobachten. Dieser Trend stellt ein globales Gesundheitsproblem mitschwerwiegenden gesundheitlichen und auch sozio-ökonomischen Auswirkungen dar. Die Weltgesundheitsorganisation hat daher neben anderen Maßnahmen dazu aufgerufen, die Entwicklung von Antibiotika mit völlig neuen Wirkungsmechanismen unbedingt voran zu treiben, um der steten Abnahme an Wirkstoffen entgegen zu wirken. Eine vielversprechende und alternative Strategie zu herkömmlichen Antibiotika beruht auf antimikrobiellen Peptiden unseres angeborenen Immunsystems, die eine erste rasche Abwehr gegen Infektionen darstellen. Das besondere an diesen Peptiden ist ihre Wirkungsweise, die im Gegensatz zu den bekannten Antibiotika keine spezifischen Rezeptoren benötigt, sondern innerhalb von Minuten die Zellhülle und damit die schützende Barriere zerstört. Obwohl durch Studien an Modelsystemen schon vieles zum Wirkungsmechanismus auf molekularer Ebene bekannt ist, gibt es noch immer kein umfassendes Bild, wie antimikrobielle Peptide Bakterienzellen beeinflussen und letztendlich zum Zelltod führen. Insbesondere die zeitliche und räumliche Abfolge der Prozesse auf den unterschiedlichen strukturellen Ebenen der Zellhülle (Zellwand und Zellmembran) ist derzeit noch unbekannt. Um die Wirkungsweise jedoch in vollem Umfang verstehen zu können, ist es notwendig, diese Wissenslücke zu schließen. Hierzu schlagen wir vor, zeitaufgelöste Röntgenexperimente an lebenden Bakterien, wie Escherichia coli, durchzuführen. Dieser neuartige Ansatz ermöglicht uns, Änderungen auf molekularer und mikroskopischer Ebene in Echtzeit zu verfolgen. Vorläufige Experimente an der europäischen Synchrotronquelle in Grenoble zeigten zum allerersten Mal, dass strukturelle Veränderungen bereits im Bruchteil einer Sekunde auftreten, also viel rascher als bisher angenommen. Unsere Studien werden sich vorerst auf den Einfluss von antimikrobiellen Peptiden beschränken, die die Zellwand von Bakterien als primäres Angriffsziel haben und im Rahmen eines vom Antragsteller koordinierten EU-Projektes von Lactoferrin, einem Eiweiß der Muttermilch, entwickelt wurden. Ziel dieses Forschungsvorhaben ist es, die strukturellen Veränderungen von Bakterien und deren Zellhülle unter der Einwirkung antimikrobieller Peptide in deren zeitlicher Abfolge bis zum Zelltod aufzuklären. Dieses Wissen wird uns ermöglichen, Folgestudien mit anderen antimikrobiellen Peptiden und weiteren klinisch relevanten Bakterien wie z.B. Staphylococcus aureus durchzuführen, und so einen umfassenden und detaillierten Einblick in den molekularen Wirkungsmechanismus von antimikrobiellen Peptiden zu gewinnen. In Folge sollen diese Erkenntnisse zur Entwicklung neuartiger und verbesserter Wirkstoffe für die Behandlung von Infektionskrankheiten durch Antibiotika- resistente Keime führen.

Infektionskrankheiten, die durch multiresistente pathogene Bakterien verursacht werden, gewinnen weltweit schnell an Boden insbesondere in den Intensivstationen unserer Krankenhäuser. Aufgrund dieser wachsenden Bedrohung stufte die WHO Antibiotikaresistenzen als eine vorrangige Krankheit ein und betonte die Entwicklung neuartiger Antibiotika, um dem stetigen Rückgang zugelassener Antibiotika seit den frühen 80er Jahren entgegenzuwirken. Dies erfordert insbesondere alternative antimikrobielle Wirkstoffe mit völlig anderen Wirkmechanismen. Eine vielversprechende Strategie basiert auf antimikrobiellen Peptiden (AMP), Moleküle der angeborenen Immunität, die eine erste Verteidigungslinie gegen eine Vielzahl pathogener Mikroorganismen darstellt. Die molekulare Wirkungsweise von membranaktiven AMP wurde in verschiedenen Modellsystemen mit einer Vielzahl biophysikalischer Techniken umfassend untersucht. Trotz der beeindruckenden Erkenntnisse über molekulare Wechselwirkungen in Systemen reduzierter Komplexität gibt es kein umfassendes Bild darüber, wie AMP Bakterienzellen in vivo beeinflussen und wie sie Bakterien tatsächlich abtöten. Ziel des Projekts war es daher, die Wirkungsweise ausgewählter AMP auf Bakterien mittels "state-of-the-art" Röntgen- und Neutronenstreutechniken zu untersuchen und sie Daten mit in unserer Gruppe weiterentwickelter Modellierungsansätzen zu analysieren. Dieser Ansatz stellt eine neuartige und leistungsstarke Technik dar, um die Wirkungen antimikrobieller Peptide in Echtzeit zu untersuchen und Informationen auf mehreren räumlichen und zeitlichen Skalen zu erhalten, ohne dass eine invasive Färbe- oder Markierungstechnik erforderlich ist. Diese einzigartige Strategie ermöglichte es uns, die Kinetik von AMP-Wechselwirkungen auf verschiedenen hierarchischen Ebenen zu entschlüsseln sowie die Abfolge von Prozessen zu beschreiben, die zur Abtötung von Bakterien führen. Wir haben gezeigt, dass AMP in weniger als drei Sekunden die Oberfläche von Bakterien sättigen, was gleichzeitig zu großen strukturellen Veränderungen der Zellhülle wie Vesikelbildung und Membranablösung führt, was deren Barrierefunktion verringert. Innerhalb weniger Sekunden translozieren AMP durch die Zellhülle, wo sie sich anschließend im Zytosol der Bakterien anreichern und durch Bindung an negativ geladene, essentielle Zellbestandteile wie DNA, RNA, Ribosomen und Proteine innerhalb von Minuten zum Stoffwechselstillstand führen. Unsere Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass AMP sehr schnell (innerhalb von Sekunden bis Minuten) wirken und auf verschiedene Zellstrukturen und Komponenten abzielen, was es unwahrscheinlich macht, dass Bakterien Resistenzen entwickeln. Mit anderen Worten, unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Kombination aus Translokationsgeschwindigkeit und effizientem Abschalten des bakteriellen Stoffwechsels durch Einwirkung auf mehrere Zellbestandteile generische Faktoren sind, die bei der Entwicklung zukünftiger AMP zur Bekämpfung von Infektionskrankheiten berücksichtigt werden sollten. Es ist daher zu erwarten, dass die Ergebnisse dieses Projekts für die Entwicklung von Antibiotika von großer Bedeutung sein werden.