Glykobiologie einer neuen Tannerella Spezies

Periodontitis ist eine weltweit auftretende Entzündungserkrankung des Zahnhalteapparats, an der das pathogene Bakterium Tannerella forsythia maßgeblich beteiligt ist; es ist Teil eines oralen Biofilms, der als Zahnplaque bekannt ist. Unsere Forschung zeigte, dass das Bakterium seine Oberflächenproteine mit einer einzigartigen Glykosylierung modifiziert, welche die Wechselwirkungen des Pathogens mit den anderen Biofilmbakterien sowie mit den Zellen des humanen Wirts durch vielfältige glykobiologische und glykoimmunologische Reaktionen bestimmt; dabei dürfte eine spezielle Zuckersäure (Nonulosonsäure) entscheidend sein. Ein Vergleich aller öffentlich zugänglichen Genomsequenzen von Periodontitis-assoziierten T. forsythia Stämmen zeigte das Vorhandensein eines konservierten Genclusters für die Proteinglykosylierung. Hingegen besitzt die Tannerella Spezies BU063, die nicht mit Periodontitis im Zusammenhang steht, aber phylogenetisch der nächste Verwandte zu T. forsythia ist, einen anderen Glykosylierungs-Gencluster, in dem zudem die Information für die Zuckersäure fehlt. Unsere Hypothese besagt, dass das unterschiedliches Glykom von Tannerella BU063 sich auf die Pathogenese von Periodontitis auswirkt und somit eine neuartige Basis darstellt, um die Entwicklung von Genomen und die Wechselwirkungsmechanismen zwischen nahe verwandten Bakterien von unterschiedlicher Pathogenität zu erforschen. Erste Daten indizieren Unterschiede in der Zelloberflächenglykosylierung und Immunogenität der Tannerella Spezies BU063 im Vergleich zum Pathogen T. forsythia. Unsere neu etablierten Protokolle für die Kultivierung und genetische Manipulation von BU063 machen detaillierte glykobiologische Untersuchungen möglich. Es soll die Glykoinfrastruktur der Zellwand der Tannerella Spezies BU063 bestimmt und Auswirkungen auf die Biofilmbildung und die Wechselwirkung mit dem Wirt untersucht werden. Verwendete Methoden inkludieren anaerobe Kultivierung, Massenspektrometrie (MS) und magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) für Glykanstruktur-Analysen, Glykoproteomics, genetische Manipulation, Immunologie, Biofilmtechniken und Mikroskopie. Dieses Projekt generiert Informationen zu Glykobiologie einer neuen oralen Tannerella Spezies und zielt darauf ab, durch Glykobiologie vermittelte Mechanismen aufzuzeigen, die die Assoziation dieser Spezies mit oraler Gesundheit zu erklären. Durch den Vergleich mit dem Pathogen Tannerella forsythia kann dieses Projekt neue Einblicke in die Pathogenese von Periodontitis ermöglichen und dadurch neue Wege für Therapie und Prophylaxe aufzeigen. Außerdem erweitert das Projekt das Wissen über das Phylum Bacteroidetes, zudem nicht nur orale Bakterien, sondern auch Darmbakterien zählen. Dieses Projekt ist eine Kooperation zwischen Christina Schäffer (Antragstellerin; Mikrobiologie, Glykobiologie, Biofilm, Mikroskopie), Friedrich Altmann (MS), Markus Blaukopf (NMR), alle Universität für Bodenkultur, Wien, Österreich, Oleh Andrukhov (Immunologie; Medizinische Universität Wien, Österreich) und Georgios N. Belibasakis (Immunologie; Karolinska Institut, Huddinge, Schweden).

Die molekulare Sprache oraler Bakterien entschlüsseln-Neue Erkenntnisse zu Gesundheit und Krankheit: Die menschliche Mundhöhle beherbergt eines der komplexesten mikrobiellen Ökosysteme des Körpers. Das Gleichgewicht zwischen gesundheitsfördernden und krankheitsverursachenden Bakterien in der Mundhöhle ist kein Zufall - es wird aktiv durch molekulare Signale auf Bakterienoberflächen gesteuert. Dieses Projekt hat grundlegendes neues Wissen darüber erzeugt, wie orale Bakterien sich ihrer Umgebung präsentieren, wie sie mit Wirtsgeweben interagieren und was einen schädlichen von einem harmlosen Mikroorganismus unterscheidet. Ein zentraler Forschungsschwerpunkt war Tannerella serpentiformis, ein gesundheitsassoziiertes orales Bakterium und enger Verwandter von Tannerella forsythia - einem Schlüsselerreger der Parodontitis, einer der weltweit häufigsten chronisch-entzündlichen Erkrankungen. Durch die Entschlüsselung der komplexen Zuckerstrukturen, die die Oberfläche von T. serpentiformis bedecken, konnte das Projekt zeigen, dass dieses Bakterium hochkomplexe, verzweigte Glykanstrukturen mit seltenen chemischen Modifikationen trägt, die bislang bei oralen Bakterien nicht beschrieben worden waren. Besonders auffällig ist, dass das Fehlen eines spezifischen Zuckerrests-einer Nonulosonsäure, die auf der Oberfläche des Krankheitserregers T. forsythia vorkommt-ein molekulares Unterscheidungsmerkmal zwischen gesundheitsassoziierten und krankheitsverursachenden Tannerella-Spezies zu sein scheint. Dieser Befund eröffnet neue Perspektiven für das Verständnis, wie Bakterien dem Immunsystem ausweichen oder mit ihm interagieren. Über die Oberflächenchemie hinaus untersuchte das Projekt die dreidimensionale Architektur der kristallinen Proteinhülle - der sogenannten S-Schicht - von T. serpentiformis. Mithilfe modernster Elektronenmikroskopie und computergestützter Strukturvorhersage, einschließlich KI-basierter Proteinmodellierung, rekonstruierte das Team, wie sich die beiden S-Schicht-Glykoproteine von T. serpentiformis zu einem symmetrischen Gitter mit einer zentralen Pore zusammensetzen. Diese Architektur, erstmals durch experimentell verifizierte Glykosylierungsdaten untermauert, liefert einen plausiblen molekularen Bauplan für die Organisation mehrkomponentiger S-Schichten - eine Frage, die seit Jahrzehnten ungelöst war. Das Projekt untersuchte außerdem, wie sich T. serpentiformis innerhalb komplexer oraler Biofilme gemeinsam mit anderen Bakterien verhält, darunter der bekannte Krankheitserreger Porphyromonas gingivalis. Bemerkenswert ist, dass T. serpentiformis das Biofilmwachstum hemmte und seinen pathogenen Verwandten T. forsythia verdrängte - was auf eine aktiv schützende Rolle bei der Aufrechterhaltung eines gesunden oralen Mikrobioms hindeutet. Ergänzende Studien zur Interaktion mit Wirtszellen bestätigten, dass T. serpentiformis deutlich weniger invasiv ist als T. forsythia und eine ausgeprägtere Immunantwort auslöst, was mit seinem gesundheitsassoziierten Status übereinstimmt. Insgesamt vertiefen die Ergebnisse dieses Projekts unser molekulares Verständnis davon, wie bakterielle Oberflächenstrukturen - insbesondere Glykane und S-Schicht-Proteine - die Dynamik mikrobieller Gemeinschaften, die Wirtserkennung und die Immunmodulation in der Mundhöhle steuern. Diese Erkenntnisse legen den Grundstein für zukünftige Strategien zur Förderung eines gesunden oralen Mikrobioms und könnten langfristig zur Entwicklung neuer Ansätze für die Prävention und Behandlung der Parodontitis beitragen