Forschung

Karies ist weltweit eine der häufigsten chronischen Erkrankungen. Dabei entwickelt sich ein dysbiotischer mikrobieller Biofilm auf der Zahnoberfläche, bei dem Streptococcus mutans beziehungsweise einzelne Makromoleküle des Bakteriums eine wichtige Rolle spielen. Mutanofactin ist ein kürzlich identifizierter Sekundärmetabolit von S. mutans, von dem angenommen wird, dass er die Hydrophobizität von Zelloberflächen erhöht und damit die Interaktion von Bakterien und die Biofilmbildung forciert. Der molekulare Mechanismus der Wirkungsweise von Mutanofactin sowie dessen Aktivitätsspektrum sind unbekannt. Dieses Projekt erforscht die mit der Wirkung von Mutanofactin verknüpfte Bildung kariogener Biofilme. Dabei ist es entscheidend, die physikochemischen und mikrobiellen Eigenschaften dieses Sekundärmetaboliten zu verstehen. Dazu werden biologischen Szenarien mit schrittweise erhöhter Komplexität erstellt, wofür definierte biologische Komponenten sowie Methoden für Analytik und Monitoring von der molekularen bis zur Biofilm-Ebene verwendet werden. Das Projekt-Design basiert auf einer einzigartigen Kombination von synthetischen, mikrobiellen und physikochemischen Ansätzen, einschließlich der de novo Synthese und neuartige Techniken zur Charakterisierung bakterieller Zelloberflächen und Biofilm-Matrix Interaktionen. Dieses Projekt kann zu neuen anti-kariogenen Strategien beitragen, welche dringend im Zusammenhang mit der menschlichen Gesundheit benötigt werden.

Die "Zucker"-Hülle eines Organismus, die aus einer Vielzahl von Glykokonjugaten besteht, ist der erste Punkt für die Interaktion zwischen Bakterien, Viren oder Parasiten und Wirtszellen. Bakterielle Oberflächenpolysaccharide enthalten viele ungewöhnliche Modifikationen, darunter Phosphorylcholin (PC), das auch in den Glykanketten von Glykoproteinen und Glykolipiden von Helminthenparasiten sowie in Glykanen vorkommt, die von Insektenzelllinien produziert werden, die als Zellfabriken für rekombinante Proteine verwendet werden. Trotz zahlreicher Berichte über die immunmodulatorische Wirkung von PC sind die Biosynthese und die Wechselwirkungen von PC-modifizierten Glykanen nur unzureichend bekannt. Hier schlagen wir vor, chemische Werkzeuge zu entwickeln, um diese Wissenslücke zu schließen. Erstens werden potenzielle PC-übertragende Enzyme exprimiert und neue Substrate synthetisiert, um sie zu testen. Zweitens werden wir diese Enzyme nutzen, um neue Array-basierte Sonden für die Untersuchung von Interaktionen mit Proteinen des Immunsystems, einschließlich Pentraxinen und Antikörpern, zu entwickeln. Die vorgeschlagene Kombination aus Enzymologie, chemischer und enzymatischer Synthese und Glykan-Array-Technologie wird es uns ermöglichen, neue Erkenntnisse über das "Wie" und "Warum" der PC-Modifikationen von Krankheitserregern zu gewinnen, unabhängig davon, ob es sich um Bakterien oder Parasiten handelt, und zwar im Hinblick auf die Charakterisierung von PC aus enzymologischer und interaktomischer Sicht. Darüber hinaus können wir damit beginnen, die Rolle von PC bei der Modulation des Immunsystems, einschließlich der Reaktion auf Impfstoffe, zu untersuchen.

Weiterer Forschungskontext: Trichomonas vaginalis und Tritrichomonas foetus sind protistische Parasiten, die häufig den Urogenital- oder Verdauungstrakt von Säugetierwirten befallen und zu leichten Symptomen und einem erhöhten Risiko für Unfruchtbarkeit, Krebs, Virusinfektionen und ungünstige Schwangerschaftsergebnisse führen. Leider gibt es keinen Impfstoff, und die Wirksamkeit von Medikamenten ist seit dem Auftreten resistenter Isolate im Jahr 1962 geringer geworden. Daher sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die Wirt-Parasit-Interaktionen der Trichomonaden zu verstehen und künftige Ausrottungsstrategien für die Gesundheit von Mensch und Tier zu entwickeln. Hypothesen: Es wird angenommen, daß es Unterschiede in der Proteinglykosylierung und im Glykoproteom von T. vaginalis- und T. foetus-Isolaten gibt, die mit dem Genotyp oder dem Herkunftswirt korrelieren, während N/O-Glykane dieser Arten von kohlenhydratmodifizierten Proteinen des angeborenen Immunsystems des Wirts erkannt werden. Methoden: In diesem Glykomik-Projekt wird die Proteinglykosylierung von T. vaginalis und T. foetus durch die feinstrukturelle Charakterisierung ihrer N/O-Glykane aus mehreren Referenz- und klinischen Isolaten definiert. Die parasitären Glykane werden durch enzymatische und chemische Behandlungen freigesetzt, bevor sie fluoreszenzmarkiert und mittels zweidimensionaler HPLC und MALDI-ToF charakterisiert werden. Die parasitären N/O-Glykane werden mittels Glykan-Array immobilisiert, um ihre Erkennung durch relevante Kohlenhydrat-bindende Proteine der angeborenen Wirtsimmunität zu untersuchen. Ziel der parasitären Glykoproteomik ist die Anreicherung und Identifizierung spezifischer Glykoproteome auf der Grundlage seltener Glykoepitope mittels Lektin-Affinitätschromatographie und LC-MS. Innovation: Diese eingehende strukturelle Kartierung von N/O-Glykanen aus T. vaginalis und T. foetus wird die Glykosylierung von Trichomonadenproteinen und damit die Glykosylierungsevolution von protistischen Parasiten definieren. Diese groß angelegte glykomische Untersuchung wird Unterschiede zwischen Trichomonadenisolaten in Bezug auf Genotyp und Herkunftswirt aufzeigen. Dieses erste Trichomonaden-basierte Glykan-Array wird die parasitären N/O-Glykan-Interaktionen mit Kohlenhydrat-bindenden Proteinen des angeborenen Immunsystems des Wirts aufzeigen. Die Glykoproteomik wird Glykoprotein-Grundgerüste und ihre N/O-verknüpften Glykane enthüllen, um potenziell hoch immunogene Glykoproteine zu identifizieren.