Forschung

Theoretischer Rahmen: Coproporphyrin III ist ein wichtiger Virulenzfaktor im Zusammenhang mit der Hautkrankheit Akne vulgaris, die durch eine Infektion mit dem monodermen Actinobakterium Cutibacterium acnes verursacht wird. Monoderme Bakterien nutzen den so genannten "Coproporphyrin-abhängigen" Häm-Biosyntheseweg. Auf diesem Weg katalysieren mehrere Enzyme die Bildung des Endprodukts Häm b. Zwei dieser Enzyme (CpfC und ChdC) sind in pathogenen C. acnes-Stämmen fusioniert. Zielsetzung: Der Einsatz modernster biochemischer und biophysikalischer Methoden zur Untersuchung verschiedener Konstrukte des pathogenen C. acnes CpfC-ChdC-Fusionsproteins (in voller Länge; nur N-terminale CpfC-Domäne; nur C-terminale ChdC-Domäne), aber auch von CpfC und ChdC (nicht fusioniert) aus nicht-pathogenen C. acnes-Stämmen wird tiefgreifende Erkenntnisse über Proteinfaltung, Interaktion und enzymatische Fähigkeiten liefern. Darüber hinaus werden modernste Strukturstudien eingesetzt, um das Enzym so vollständig wie möglich zu beschreiben und die sterischen Beschränkungen der Gesamtstruktur und der Architektur des aktiven Zentrums zu verstehen, die zur Sekretion von Coproporphyrin III führen können. Methoden: Die biochemische und biophysikalische Charakterisierung der ausgewählten CpfC-ChdC-Konstrukte und -Varianten wird mit Hilfe mehrerer spektroskopischer High-End-Methoden und kinetischer Charakterisierungen im stationären und vorstationären Zustand durchgeführt. Darüber hinaus werden wir hochmoderne strukturbiologische Methoden einsetzen, um die Struktur des Enzyms bis ins kleinste Detail zu verstehen. Innovation: Die Kombination unserer langjährigen Expertise zu CpfCs und ChdCs ist der perfekte Ausgangspunkt, um die molekularen Mechanismen und enzymatischen Unzulänglichkeiten zu untersuchen, die zur Produktion und Sekretion des sehr wichtigen Virulenzfaktors Coproporphyrin III führen. Die Kenntnis dieser zugrundeliegenden biochemischen Merkmale ist eine Voraussetzung für weitere Studien, einschließlich der Entwicklung künftiger Medikamente.

2D-kirstalline S-Schichten zählen zu den häufigsten Zelloberflächen Strukturen von Prokaryonten und sind mögliche Ziele für therapeutische Intervention. Viele S-Schichten sind glykosyliert und können in Gram-positiven Bakterien durch die Interaktion zwischen einem Trimer aus S-Schicht-homologen Domänen (SLH-Trimer) und einem nicht-glykosylierten, sekundären Zellwandpolymer verankert sein. Das derzeitige Verständnis dieser Interaktion stammt aus Studien mit einem nicht-glykosylierten, rekombinanten SLH-Trimer und kurzen, synthetischen Zellwandpolymerfragmenten. Wie an dem Modellorganismus Paenibacillus alvei gezeigt wurde, ist ein terminaler, pyruvylierten N-acetylmannosamin-Rest des Zellwandpolymers essentiell für wechselweise Bindung an zwei Bindungstaschen des SLH-Trimers. Unsere Hypothese besagt, dass die Glykosylierung in den beiden Bindungstaschen die molekulare Logik der S-Schichtverankerung in der Zellwand beeinflusst und dass das terminale, pyruvylierte N-acetylmannosamin S-Schicht-Bindungsepitop am Zellwandpolymer ein idealer Ausgangspunkt für das Design von Inhibitoren der Zellwandassemblierung darstellt. Es wird der Einfluss der Glykosylierung des SLH-Trimers auf die Bindung des Zellwandpolymers untersucht, indem die Liganden-Interaktion in vivo und in virto in einem Bottom-up Ansatz schrittweise analysiert wird. Weiters sollen Inhibitoren dieser Interaktion identifiziert werden. Das Projekt basiert auf chemischer Synthese, protein- und Kohlenhydrat-Engineering, biophysikalischen Analysen zur Messung von Protein-Kohlenhydrat-Interaktionen, Röntgenstrukturanalyse, Kryo-Elektronenmikroskopie, unterstützt furch molekulare Simulation und Modellierung. Dieses interdisziplinäre Projekt wird ein detailliertes mechanistisches Modell der S-Schichtverankerung in Gram-positiven Bakterien ergeben. Das Verständnis der dahinter stehenden Glykoprotein-Kohlenhydrat-Wechselwirkungen auf molekularer Ebene wird Möglichkeiten aufzeigen, wie diese Wechselwirkungen inhibiert werden können – ein Themenbereich von wachsender Bedeutung im Kontext bakterieller Pathogene .

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.