Erforschen von Lactamasen für chemisch stabile Lactame

Die Lactam-Struktur eine cyclische chemische Verbindung, die eine essentielle Amid-Bindung enthält ist in der Natur weitverbreitet und kommt in verschiedenen Ringgrößen vor. Die kleinsten (Vierring-) beta-Lactame sind bekannte Antibiotika, die in den letzten Jahrzehnten aufgrund der weitverbreiteten bakteriellen Resistenz gegen diese Antibiotika-Gruppe eine große Aufmerksamkeit erfahren haben. Diese Resistenz stellt ein großes klinisches Problem bei der Behandlung bakterieller Infektionen dar. Chemisch gesehen sind solche Moleküle ziemlich labil, was zu einer leichten Hydrolyse durch spezifische Enzyme die beta-Lactamasen führt. Durch die mittlere Ringgröße weisen gamma- und delta-Lactame dagegen eine niedrigere Ringspannung vor, welche mit einer erschwerten Hydrolyse verbunden ist. Infolgedessen erfordert die Ringspaltung, die wichtige chemische Bausteine in Formvon nicht-natürlichen Aminosäuren liefert, harsche Reaktionsbedingungen (starke Säure in konzentrierten siedenden Lösungen), die schließlich die Möglichkeiten zur Anwendung dieser Strukturen in der Synthese verringern. Infolgedessen sind mildere Alternativen gewünscht, die darüber hinaus bei dem aktuellen Umweltbewusstsein und den stetig wachsenden Erwartungen nachhaltiger Technologien von besonders großer Bedeutung sind. Im Rahmen einer Vorstudie wurde die gesuchte katalytische Aktivität in zwei Bakterienstämmen nachgewiesen, wodurch solche stabilen cyclischen Strukturen (Fünf- und Sechsring) gespaltet werden konnten. In diesem Projekt wollen wir die Enzyme identifizieren, die für die beobachtete Aktivität verantwortlich sind. Zusätzlich werden weitere weniger gut charakterisierte Enzymkandidaten untersucht, welche bei der Ringöffnung von Lactam-ähnlichen Verbindungen Aktivität gezeigt haben. Das Projektwird sich auf die folgende grundlegende Frage konzentrieren: Welche strukturellen/molekularen Voraussetzungen sind notwendig, damit diese biologischen Werkzeuge mit gamma- und delta-Lactamen aktiv sind? Unser interdisziplinärer wissenschaftlicher Ansatz kombiniert Standardtechniken und Methoden aus der Chemie, Molekularbiologie, Enzymologie, Genomik und Biokatalyse. Durch die Identifizierung und Charakterisierung von solchen Enzymen möchten wir zu einem besseren Verständnis der biologischen Prozesse bei der Spaltung von Lactam-Ringen beitragen. Letztendlich wollen wir Chemiker anregen, neuartige synthetische Protokolle zu entwickeln, die einen ressourceneffizienten Ansatz für die Umwelt zeigen.

Die Lactam-Struktur - eine cyclische chemische Verbindung, die eine essentielle Amid-Bindung enthält - ist in der Natur weitverbreitet und kommt in verschiedenen Ringgrößen vor. Die kleinsten (Vierring-) beta-Lactame sind bekannte Antibiotika, die in den letzten Jahrzehnten aufgrund der weitverbreiteten bakteriellen Resistenz gegen diese Antibiotika-Gruppe eine große Aufmerksamkeit erfahren haben. Diese Resistenz stellt ein großes klinisches Problem bei der Behandlung bakterieller Infektionen dar. Chemisch gesehen sind solche Moleküle ziemlich labil, was zu einer leichten Hydrolyse durch spezifische Enzyme - die beta-Lactamasen - führt. Durch die mittlere Ringgröße weisen gamma- und delta-Lactame dagegen eine niedrigere Ringspannung vor, welche mit einer erschwerten Hydrolyse verbunden ist. Infolgedessen erfordert die Ringspaltung, die wichtige chemische Bausteine in Form von nicht-natürlichen Aminosäuren liefert, harsche Reaktionsbedingungen (starke Säure in konzentrierten siedenden Lösungen). Infolgedessen sind mildere Alternativen gewünscht, die bei dem aktuellen Umweltbewusstsein und den stetig wachsenden Erwartungen nachhaltiger Technologien von besonders großer Bedeutung sind. Wir haben in diesem Projekt drei verschiedene Ansätze in Angriff genommen. i) Wir konnten die katalytische Kraft von Bakterienstämmen nutzen, um diese stabilen zyklischen Strukturen zu spalten. Durch die Ernährung der Bakterien mit den Lactamen entwickelten die Zellen die Fähigkeit, die Lactame abzubauen. Mehrere Stämme wurden erfolgreich identifiziert und anschließend zur Spaltung mehrerer Lactame eingesetzt. Die Genome dieser Bakterien wurden sequenziert und wir haben zwei Methoden ausgewählt, um die für die Aktivität verantwortlichen Proteine zu identifizieren. Dies wird in einem separaten Projekt fortgeführt. ii) Es wurden zwei Enzyme identifiziert, die bei der Hydrolyse von Lactamen zusammenarbeiten. Sie nutzen eine hochenergetische Verbindung namens ATP in Kombination mit einem einfachen Molekül, Bicarbonat, und Wasser. Dieser Mechanismus ist komplex und ermöglicht die Aktivierung des Lactams, um die Reaktion zu starten. Wir konnten dieses System erfolgreich auf eine Vielzahl von Lactamen anwenden. Die Reaktion läuft unter milden Bedingungen ab. iii) Ein Enzym, das im Bereich der Biokatalyse selten untersucht wurde und von dem bekannt ist, dass es Bindungsspaltungen durch Aktivierung von Sauerstoff durchführt, wurde getestet. Wir konnten zeigen, dass Lactame zwar nicht mit diesem Enzym reagieren, es aber einige Veränderungen auf dem natürlichen Substratmolekül akzeptiert. Dieses Protokoll ist eine Alternative zur klassischen Hydrolyse, bei der normalerweise Wasser zur Spaltung von Bindungen verwendet wird. Abschließend konnten wir die Frage, die zu Beginn des Projekts erstmals aufgeworfen wurde, teilweise beantworten: Welche strukturellen/molekularen Voraussetzungen sind notwendig, damit biologische Werkzeuge mit mittelgroßen Lactamen aktiv sind? Wir haben erfolgreich Enzyme identifiziert, die an der Spaltung chemisch stabiler Lactamringe beteiligt sind, und Licht auf die wichtigen Aspekte dieser Mechanismen geworfen, wie zum Beispiel die Notwendigkeit externer "Helfer"-Moleküle.