Forschung

Breiterer Forschungskontext: Sekretorisches IgA (SIgA) hat sich aufgrund seiner einzigartigen strukturellen Merkmale, einschließlich erhöhter Pathogenneutralisierungseffizienz, entzündungshemmender Eigenschaften und verbesserter Stabilität in mukosalen Sekreten, als vielversprechender Kandidat für therapeutische Interventionen herausgestellt. Seine Interaktion mit kommensalen Bakterien und mukosalen Komponenten eröffnet einen innovativen Weg für neuartige therapeutische Anwendungen. Ein entscheidender Faktor für die einzigartigen Eigenschaften von SIgA ist seine umfangreiche Glykosylierung, doch das Glykosylierungsprofil in verschiedenen Geweben und seine biologische Bedeutung sind weitgehend unerforscht. Hypothesen: Wir vermuten, dass spezifische Glykankomodifikationen auf SIgA funktional entscheidend für die Interaktionen mit Komponenten der Mukosa, kommensalen Bakterien und Rezeptoren der Wirtszellen sind. Wir streben an, die Wissenslücke über die Glykosylierung von menschlichem SIgA durch eine umfassende Analyse der SIgA-Glykanprofile in verschiedenen menschlichen Geweben zu schließen und anschließend glykotechnische Ansätze auf rekombinantem SIgA zu verwenden, um Struktur-Funktions-Beziehungen unterschiedlicher Glykotypen zu klären. Ansatz: Wir werden die ortsspezifischen Glykosylierungsprofile auf menschlichem SIgA, das aus verschiedenen Geweben isoliert wurde, aufklären. Auf dieser Basis werden wir Glykotechnologie-Tools in der pflanzenbasierten transienten Produktionsplattform Nicotiana benthamiana einsetzen, einem bewährten und hoch geeigneten System zur effizienten Herstellung dieses komplexen und multimeren Proteins mit maßgeschneiderten N- und O-Glykanen. Die erzeugten rekombinanten SIgA-Glykotypen werden einer umfangreichen biochemischen und biophysikalischen Charakterisierung sowie in vitro- und zellbasierten Bindungs-, Aktivierungs- und proteolytischen Stabilitätsassays in mukosalen Flüssigkeiten unterzogen, um die Bedeutung der SIgA-Glykosylierung für die mukosale Immunität und die therapeutische Entwicklung zu beleuchten. Innovation: Dieses Projekt nutzt innovativ die pflanzenbasierte transiente Produktionsplattform in Nicotiana benthamiana zur Glykotechnik und ermöglicht die Produktion von vollständig assembliertem und funktionalem SIgA mit maßgeschneiderten N- und O-Glykanen. Dieser Ansatz unterscheidet sich von früheren Studien, die auf heterogene Glykosylierungsprofile angewiesen waren. Die Fähigkeit, große Mengen rekombinanten menschlichen SIgA mit homogenen Glykotypen zu produzieren, ermöglicht beispiellose Einblicke in die Struktur-Funktions-Beziehungen von SIgA und fördert sein Potenzial für therapeutische Anwendungen. Involvierte Wissenschaftler: Kathrin Göritzer, basierend an der BOKU Wien als Postdoktorandin (FWF Schrödinger-Stipendium), hat Expertise in der Protein- und Glykotechnologie therapeutischer Antikörper und eine umfassende Ausbildung in Immunologie absolviert. Julian Ma, basierend an der St. George’s University of London, ist ein international renommierter Pflanzenbiotechnologe und Immunologe.

Unser Ziel ist es, ein Set rekombinanter neutralisierender monoklonaler IgA-Antikörper gegen SARS-CoV-2 durch transiente Expression in Pflanzen zu erzeugen, eine Produktionsplattform, die eine rasche Produktion und ein Scale-up auf ein Niveau ermöglicht, das für die Behandlung von mehreren Millionen Menschen in sehr kurzer Zeit ausreicht. Wir werden die Stabilität unserer Antikörperkandidaten in einer Aerosolformulierung für eine vereinfachte topische Verabreichung in die Lunge bewerten und ihre Wirksamkeit in zellbasierten Neutralisationstests und Tiermodellen bestimmen. Dieser Ansatz der passiven Immuntherapie, bei dem ein pflanzenbasiertes Produktionssystem zum Einsatz kommt, könnte eine massiv skalierbare, erschwingliche Lösung auf globaler Ebene bieten, was mit herkömmlichen Plattformen zur Herstellung von Antikörpern kaum zu erreichen ist.

In allen eukaryontischen Zellen spielt das endoplasmatische Retikulum (ER) eine zentrale Rolle bei der Proteinbiosynthese. Im ER-Lumen findet die Faltung neu synthetisierter sekretorischer und Membranproteine statt. Richtig gefaltete und zusammengesetzte Proteine verlassen das Organell und setzen ihre Reise auf dem sekretorischen Weg fort. Die Proteinfaltung ist jedoch fehleranfällig und die Anhäufung von falsch gefalteten oder überschüssigen Proteinen gefährdet das zelluläre Gleichgewicht und damit das Überleben von Organismen. Dieses zelluläre Gleichgewicht ist besonders gefährdet unter widrigen Umweltbedingungen. Folglich haben Zellen ausgeklügelte Qualitätskontrollprozesse etabliert, die den Export von biologisch aktiven Proteinen und die Eliminierung nicht-nativer Proteine sicherstellen. An diesen Qualitätskontrollprozessen sind Proteine beteiligt, die faltungsdefekte Proteine erkennen und durch einen genau kontrollierten Proteinabbauprozess, der als ER-assoziierter Abbau (ERAD) bekannt ist, gezielt zerstören. Der Abbau von faltungsdefekten Glykoproteinen wird im Lumen des ER eingeleitet. Die spezifischen Proteine, welche die fehlgefalteten Glykoproteine erkennen und ihr Schicksal bestimmen, sind jedoch noch unbekannt. Wir vermuten, dass Proteinkomplexe, bestehend aus Alpha-Mannosidasen und Thioredoxinen, Schlüsselfaktoren in diesem Prozess sind. Die Rolle dieser Komplexe soll mit genetischen, biochemischen und zellbiologischen Ansätzen untersucht werden. Das Projekt wird dazu beitragen, Mechanismen der Proteinqualitätskontrolle in Pflanzen besser zu verstehen, was langfristig zu neuen Strategien zur Verbesserung der Pflanzenfitness unter sich ständig ändernden Umweltbedingungen führen wird.