Forschung

Weiterer Forschungskontext: Der Bedarf der heutigen Gesellschaften mit ihrer stetig wachsenden Bevölkerung an Nahrungsmitteln, Energie und Rohstoffen steigt dramatisch an, was einen klaren Bedarf an einer Steigerung der Ernteerträge mit sich bringt. Die Verbesserung von Nutzpflanzen für die Produktion von Nahrungsmitteln, Fasern und Biokraftstoffen wird von einem detaillierteren Verständnis der Immunfunktion von Pflanzen erheblich profitieren. Pflanzen erkennen und reagieren auf Angriffe von Krankheitserregern mithilfe eines Teils ihres Immunsystems, der sogenannten Pattern Triggered Immunity (PTI). Diese basiert auf der Erkennung exogener Microbe-Associated Molecular Patterns (MAMPs) und endogener Danger-Associated Molecular Patterns (DAMPs) durch Pattern-Recognition-Receptors (PRRs) wie Receptor-Like-Kinases (RLKs). Die am besten erforschten DAMPs sind Oligogalacturonide (OGs), Fragmente von Zellwandpektin, die von Zellwand abbauenden Enzymen produziert und von „wall-associated kinases” (WAKs) und verwandten RLKs, wie WAK-likes (WAKLs), erkannt werden. Trotz 30 Jahren Forschung sind die Kenntnisse über den genauen Erkennungsmechanismus und die molekularen Muster, an die WAKs bevorzugt binden, aufgrund der fehlenden Verfügbarkeit reiner und genau definierter Oligosaccharidproben nach wie vor begrenzt. Ziele: Wir wollen synthetische Oligosaccharide einsetzen, um die genaue Größe und Molekülstruktur von Oligogalacturoniden (OGs) zu bestimmen, die bevorzugt von WAKs und WAKLs gebunden werden, und ihr Potenzial zur Aktivierung von Pflanzenimmunantworten untersuchen. Ansatz: Die chemische Synthese von Oligogalacturoniden (OGs) mit unterschiedlichen Längen, Oxidationszuständen und Acetylierungsmustern wird unter Verwendung sorgfältig entwickelter Galactose-Bausteine (BBs) in einer Post-Assembly-Oxidationsstrategie durchgeführt. Besonders herausfordernd sind die Bildung der ausschließlich -konfigurierten glykosidischen Bindungen in Oligogalacturoniden (OGs) sowie die Entwicklung einer Schutzgruppenstrategie, die mit Acetylgruppen kompatibel ist. Die Oligogalacturonide (OGs) werden als Glykan-Arrays gedruckt, um die Wechselwirkungen zwischen RLK und OGs zu charakterisieren. Nach der Validierung der Treffer in weiteren biophysikalischen Assays wird das Potenzial der synthetischen Oligogalacturonide (OGs) zur Stimulierung oder Hemmung von PTI-Reaktionen wie ROS-Produktion, MAP-Kinase-Aktivierung und Induktion von Abwehrgenen in vivo untersucht. Innovation: Der einzigartige Ansatz, synthetische Kohlenhydratchemie mit der Erforschung der Pflanzenimmunität zu kombinieren, wird die Aufklärung verfeinerter Molekülstrukturen mit maximaler Fähigkeit zur Auslösung oder Hemmung von Immunreaktionen ermöglichen. Das gewonnene Wissen wird unser Verständnis der Reaktion der Pflanze auf pathogene Angriffe fördern und die Entwicklung von Präparaten aus Glykanmolekülen zur Stärkung des Pflanzenimmunsystems erleichtern, wodurch der Einsatz traditioneller Pestizide vermieden werden kann.

Das Immunsystem verfügt über die Fähigkeit, zwischen „selbst“ und „fremd“ zu unterscheiden, was für den Schutz vor Infektionen von grundlegender Bedeutung ist. Auf molekularer Ebene geschieht dies durch spezifische Rezeptoren eukaryotischer Zellen, die charakteristische Fremdmoleküle von Mikroorganismen erkennen. Ein solches Molekül ist das Lipopolysaccharid (LPS), das in der Zellwand von Gram-negativen Bakterien vorkommt und eine Schlüsselrolle bei der Wirt-Pathogen Interaktion spielt. Spezifische Proteinrezeptoren des angeborenen Immunsystems, die LPS erkennen, können entzündliche Abwehrreaktion gegen Infektionen auslösen und die Immunhomöostase unterstützen. Bakterielle Pathogene verfügen über eine Vielzahl von Mechanismen, um ihre Zellwand als Reaktion auf die Übertragung zwischen Umwelt, Vektor und menschlichem Wirt anzupassen, indem sie die Zusammensetzung des LPS verändern und so die Immunantwort der eukaryotischen Zelle beeinflussen. Die Modifikation der Phosphatgruppen der immunstimulierenden Komponente des LPS, einem Glykolipid Lipid A, schützt die Bakterien vor der Erkennung durch kationische antimikrobielle Peptide des Wirts. Die Auswirkungen dieser Modifikationen auf die LPS-Erkennungsrezeptoren des angeborenen Immunsystems sind jedoch weitgehend unbekannt. Von besonderer Bedeutung sind die Effekte von Phosphatgruppenmodifikationen auf intrazelluläre LPS-spezifische Rezeptoren, die an der antitumoralen Immunität beteiligt sind. Aufgrund der großen Heterogenität bakterieller Glykane sowie der Instabilität modifizierter Phosphatgruppen können strukturell definierte intakte LPS-Fragmente nicht direkt aus bakteriellen Quellen isoliert werden. Die chemische Synthese stellt jedoch eine zuverlässige Methode dar, komplexe immunmodulatorische LPS-Moleküle aus kleinen Bausteinen zusammenzusetzen. Die Kohlenhydratchemie, oder Glykochemie, bietet vielseitige Werkzeuge zur Synthese komplexer Glykane, wodurch strukturell definierte und homogene Moleküle von hoher Reinheit für biologische Untersuchungen erhalten werden können. Im Rahmen des Projektes werden neue synthetische Ansätze zum Aufbau komplexer phosphorylierter Glykane entwickelt und eine Reihe von bakteriellen LPS- und Lipid A-Molekülen mit modifizierten Phosphatgruppen hergestellt. In Zusammenarbeit mit internationalen Forschungsgruppen auf dem Gebiet der Immunologie und der Strukturbiologie wird die immunbiologische Aktivität und Interaktion unserer synthetischen phosphorylierten Glykolipide und LPS-Moleküle mit entsprechenden Proteinen untersucht. Durch die Entwicklung einer Sammlung synthetischer Varianten bakterieller Lipid A- und LPS-Moleküle mit einzigartig modifizierten Phosphatgruppen zielen unsere Forschungsarbeiten darauf ab, die strukturelle Basis ihrer Interaktion mit Immunrezeptoren aufzuklären und die molekularen Grundlagen der antitumoralen und antibakteriellen LPS-induzierten Immunität zu erforschen.

Durch Photosynthese wandeln Meeresalgen jedes Jahr Gigatonnen von Kohlendioxid in Kohlenhydrate um. In Form von Algenpolysacchariden bestimmen diese strukturell komplexen Biomoleküle in hohem Maße, wie viel Kohlenstoff in den Ozeanen gespeichert wird. Spezialisierte Meeresbakterien setzen diese Kohlenstoff-Energie frei, indem sie die Polysaccharide durch die Wirkung kohlenhydrataktiver Enzyme (CAZyme) aufspalten und das Kohlendioxid wieder in die Atmosphäre entlassen. Einige der Polysaccharide werden jedoch nicht schnell recycelt, sondern sinken in die Tiefsee und in die Sedimente, wo sie Kohlenstoff für Jahrtausende speichern können. Um diese Prozesse besser zu verstehen, sind große Anstrengungen zur weiteren Erforschung des marinen Kohlenstoffkreislaufs erforderlich. Die gleichen Fortschritte sind auch wichtig, um aufkommende Bemühungen zu unterstützen, Algenbiomasse als neue nachhaltige Ressource für die Bioökonomie zu nutzen. Die enzymatische Maschinerie, die für den Abbau von Polysacchariden durch Meeresbakterien verantwortlich ist, ist aufgrund der Größe und Heterogenität der Algenpolysaccharide noch weitgehend unerforscht. Reine und definierte Oligosaccharide, die für ein systematisches Screening von marinen CAZymes benötigt werden, sind derzeit nicht verfügbar. Da die herkömmliche chemische Synthese zeitaufwändig und oft nicht allgemein genug ist, zielt ASAP darauf ab, Sammlungen von Oligosacchariden aus verschiedenen Klassen von Algenpolysacchariden zu erhalten, indem die Technologie der automatisierten Glykanassemblierung (AGA) eingesetzt wird. Oligosaccharide mit vielen verschiedenen Sequenzen und Sulfatierungsmustern werden aus einer begrenzten Anzahl von Monosaccharidbausteinen hergestellt. Inkubation der synthetischen Oligosaccharide mit Proben, die kohlenhydratabbauende Aktivität enthalten, und anschließende HPLC-MS-Analyse der Abbauprodukte werden Aufschluss geben über: 1) die kollektiven Enzymaktivitäten bakterieller Gemeinschaften in Meerwasser- und Sedimentproben; 2) die Fähigkeiten einzelner Bakterienstämme, spezifische Polysaccharide abzubauen; 3) die Substratspezifitäten gereinigter CAZymes.