Forschung

Häm-Enzyme sind für eine Vielzahl unterschiedlicher Reaktionen und Aufgaben im Leben verantwortlich. Die Häm-Biosynthese in Prokaryoten folgt entweder dem coproporphyrinabhängigen oder dem sirohämabhängigen Stoffwechselweg. In beiden Fällen ist Coprohäm das Substrat für den letzten Biosyntheseschritt. In Desulfovibrio desulfuricans wurde festgestellt, dass das Speicherprotein Bakterioferritin große Mengen an Coprohäm speichert. Diese und andere Daten in der Literatur deuten darauf hin, dass Coprohäm ein weiterer natürlich vorkommender Cofaktor sein könnte. Wir werden diesem Hinweis nachgehen, um unser Verständnis der biochemischen Stoffwechselwege zu vergrößern. Die Hypothese lautet, dass Coprohäm ein natürlich vorkommender Cofaktor in prokaryotischen Lebewesen ist. Coprohäm hat sich als redoxaktives Substrat für ein Enzym (Coprohäm-Decarboxylase) erwiesen. In diesem Projekt werden wir über diese Reaktion hinausgehen und testen, ob sich einige Organismen so entwickelt haben, dass sie Coprohäm gegenüber Häm b bevorzugen. Ausgewählte, gut untersuchte Häm-Enzyme, die mit Coprohäm rekonstituiert sind werden biochemisch und biophysikalisch untersucht. Dies ermöglicht uns eine vergleichende Bewertung des katalytischen Potenzials von Coprohäm-Enzymen. Darüber hinaus werden weitere Häm-Enzyme aus Organismen, die den Sirohäm- oder Coproporphyrin-abhängigen Stoffwechselweg nutzen, in ihrem Coprohäm-gebundenen Zustand untersucht. Weiters werden wir mit Hilfe computergestützter Methoden nach noch nicht vorhergesagten Coprohäm-bindenden Proteinen suchen. Wenn sich diese Hypothese bestätigt, müssen wir die Lehrbücher der Biochemie neu schreiben. Dieses Grundlagenforschungsprojekt wird uns helfen, die Struktur-Funktions-Beziehungen dieser Enzymklassen zu verstehen und wichtige Erkenntnisse über die notwendigen Voraussetzungen für eine effiziente Katalyse liefern. Coprohäm-gebundene Enzyme sind potenziell interessant für den biotechnologischen Einsatz in Industrie und Medizin.

Bakterien zeigen vielfältige biochemische Fähigkeiten, einschließlich der Produktion von sekundären Metaboliten, die für das Überleben entscheidend sind. Unter diesen Metaboliten haben Mutanofakte (Mufs) – zyklische Lipopeptide – durch ihre Rolle bei der bakteriellen Biofilmbildung Aufmerksamkeit erregt, insbesondere bei Streptococcus mutans (Smu), einem Hauptverursacher von Zahnkaries. Über den Muf-Gencluster synthetisiert, erhöhen Mufs die Robustheit der Biofilme, wie bei hochbiofilmbildenden Smu-Stämmen bestätigt wurde. Diese Studie untersucht die Rolle von Mufs in der Biofilmdynamik bei Smu, Streptococcus mitis und Streptococcus agalactiae. Interessanterweise zeigt S. mitis mit einem zinkreaktionären Motiv im Muf-Promoter eine verbesserte Biofilmbildung unter zinkreichen Bedingungen, während S. agalactiae trotz des Muf-Clusters nur minimale Biofilmbildung aufweist, was den Einfluss zusätzlicher genetischer oder Umweltfaktoren unterstreicht. Vorläufige Daten zeigen, dass eine wachstumsphasenabhängige Muf-Expression erfolgt: Smu reguliert die Muf-Produktion in der frühen logitaritmatischen Phase hoch, während S. mitis in der stationären Phase ihren Höhepunkt erreicht. Wir vermuten, dass die Muf-Biosynthese streng durch wachstumsphasenspezifische Signalwege zwischen Arten geregelt wird. Diese Forschung untersucht die genetische Vielfalt des Muf-Clusters und seine Auswirkungen auf die Biofilmbildung in Einzel- und Mehrartenkontexten. Umweltfaktoren wie Zink, das die Biofilme von S. mitis verbessert, werden ebenfalls untersucht. Zusätzlich werden wir die antimikrobielle Aktivität von MFs und ihre Rolle in der inter-Spezies Kommunikation innerhalb von Biofilmen bewerten. Genetische Manipulationen, einschließlich Muf-Promotorfusionen und Deletionsmutanten, werden die transkriptionelle Regulation aufklären. Wir wollen die molekularen Mechanismen hinter der MF-Produktion, deren Einfluss auf bakterielle Adhäsion und inter-Spezoies Interaktionen erforschen. Diese Arbeit hat Auswirkungen auf das Verständnis der mikrobiellen Ökologie und die Entwicklung innovativer Strategien zur Bekämpfung biofilmassoziierter Infektionen, einschließlich Zahnkaries.

GlyCoNet-CRC untersucht, wie Wirts-Glykosylierungsmuster das karzinogene Mikrobiom innerhalb des Tumormikromilieus des kolorektalen Karzinoms (CRC) prägen, mit besonderem Fokus auf Fusobacterium nucleatum und dessen kürzlich identifizierten polymikrobiellen Konsortien. Das Projekt adressiert dabei folgende zentrale Forschungsfragen: (1) Welche mikrobiellen Konsortien kolonisieren CRC-Tumore? (2) Wie unterscheiden sich mikrobielle Netzwerke zwischen Tumoren mit unterschiedlichen Expressionsmustern von „Glykosylierungsgenen“ und Glykanprofilen des Wirtes? (3) Welche mikrobiellen Adhäsine vermitteln die glykanabhängige Kolonisation, Invasion und Persistenz innerhalb des Tumormikromilieus? (4) Wie beeinflussen tumorassoziierte Glykanprofile das Ansprechen auf konventionelle Chemoradiotherapie bei mikrosatellitenstabilem (MSS) CRC sowie auf Immuntherapien bei mikrosatelliteninstabilem (MSI) CRC? (5) Können Ko-Kulturmodelle klinisch relevanter bakterieller Konsortien, etabliert in Transwell-Systemen mit kommerziell verfügbaren Zelllinien sowie Patienten-Primärzellen oder Organoiden, klinische Beobachtungen reproduzieren und als mechanistische Plattformen zur Untersuchung von Wirt–Mikrobiom-Interaktionen dienen? (6) Können glyko-mikrobielle Biomarker zur Vorhersage des Therapieansprechens und klinischen Verlaufs identifiziert werden? (7) Beeinflussen geschlechts- und genderspezifische Faktoren die Zusammensetzung des Mikrobioms, der Glykanprofile oder die funktionellen Effekte spezifischer mikrobieller Konsortien? Der innovative Kern des Projekts liegt in der Nutzung einer großen klinischen Biobank sowie der Integration von Glykomik-, Mikrobiom- und Transkriptom-Analysen, um zu entschlüsseln, wie tumorspezifische Glykanveränderungen die Assemblierung, Adaptation und Pathogenität mikrobieller Gemeinschaften steuern – beziehungsweise umgekehrt. Durch die Kombination von Patienten-Proben, gentechnisch modifizierter Zell- und Organoidmodelle sowie multimodaler Omics-Ansätze etabliert GlyCoNet-CRC einen neuartigen präzisionsmedizinischen Forschungsrahmen für das kolorektale Karzinom. Das Projekt soll die Entwicklung diagnostischer Werkzeuge, Glykan-gerichteter Therapiestrategien und innovative in-vitro-Modelle zur Untersuchung von Wirt–Mikrobiom-Interaktionen sowie Mikrobiom-basierter Risikostratifizierungsansätze vorantreiben und damit bestehende Konzepte zur Pathogenese und Therapie des kolorektalen Karzinoms grundlegend erweitern. Getragen von einem interdisziplinären Konsortium aus Mikrobiolog:innen, Glykobiolog:innen, Chirurg:innen, Onkolog:innen und Computational Scientists wird GlyCoNet-CRC umfassende Open-Access-Multi-Omics-Datensätze, glykoengineerte Modellsysteme sowie reproduzierbare bioinformatische Pipelines generieren. Diese Ressourcen werden über Repositorien wie GEO, ENA und GitHub sowie über Material Transfer Agreements (MTAs) verfügbar gemacht und sollen zukünftige translationale Studien sowie die Entwicklung glykanmodulierender präventiver, diagnostischer und therapeutischer Strategien beim kolorektalen Karzinom unterstützen.