HIPS - Helmholtz-Zentrum fÃ¼r Infektionsforschung

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134 WISSENSCHAFTLICHER ERGEBNISBERICHT | Das Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS) Ebenso wichtig wie die Entdeckung neuer Myxobakterien und Naturstoffe ist MINS die Erforschung der Naturstoffbiosynthese einschließlich der Funktion der einzelnen daran beteiligten Enzyme. Die resultierenden Grundlagenkenntnisse werden dann genutzt, um über regulatorische Prozesse die Ausbeute zu optimieren und gezielt in die Biosynthesen einzugreifen, um neue und veränderte Strukturen herzustellen. Zu diesem Zweck sequenzieren die Forscher der Abteilung MINS die ungewöhnlich großen Genome einer Reihe von Myxobakterien, nachdem sie vor einigen Jahren das bislang größte entdeckte Bakteriengenom des Myxobakteriums Sorangium cellulosum vorgestellt haben. Es zeigt sich dabei regelmäßig, dass Myxobakterien eine außerordentlich große „genetische Kapazität“ zur Herstellung von Naturstoffen haben: jedes einzelne Myxobakterium ist in der Lage, neben den bereits bekannten Substanzen eine weitaus größere Anzahl bisher unbeschriebener Sekundärmetabolite zu produzieren. Die bioinformatisch entschlüsselten Genome der Mikroben bilden so die Grundlage dafür, mit hochempfindlichen analytischen Methoden, etwa massenspektrometrischen Metabolomics-basierten Ansätzen, nach bisher unbekannten Naturstoffen zu suchen. Weiterhin nutzt MINS die genetischen Daten, um die Produktion der myxobakteriellen Metabolite in den Bakterien zu optimieren oder deren Synthese in geeigneten Fremdorganismen mit erhöhter Ausbeute zu veranlassen. Darüber hinaus ist es möglich, Wirk - stoffe durch gezielte genetische Veränderungen zielgerichtet strukturell umzugestalten. Die Erkenntnisse aus der Analyse der myxobakteriellen Genome helfen nicht zuletzt auch dabei, die Mikrobiologie dieser Organismen besser zu verstehen. Die Abteilung „Wirkstoff-Design und Optimierung“ (DDOP) Abteilungsleiter | Prof. Dr. Rolf W. Hartmann | Helmholtz- Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS) im Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) | Abteilung für Wirkstoff-Design und Optimierung (DDOP) | rwh09@helmholtz-hzi.de Wissenschaftliche Mitarbeiter | Dr. Johannes De Jong | Dr. Jörg Haupenthal | Dr. Matthias Negri | Dr. Anke Steinbach | Dr. Christina Zimmer Aufgrund der stetig steigenden Anzahl an multiresistenten Pathogenen und deren weltweiter Ausbreitung – insbesondere in Krankenhäusern – stellt die Behandlung von Infektionskrankheiten mehr denn je ein zunehmendes Problem für das Gesundheitswesen dar. Die Entwicklung neuer, antibiotisch wirksamer Substanzen besitzt daher eine wachsende Aktualität und höchste Priorität für die Pharmazeutische Forschung. Herkömmliche Antibiotika greifen gezielt in lebensnotwendige Vorgänge in Bakterien ein, um so die Krankheitserreger abzutöten. Ein alternativer Ansatz zielt darauf ab, durch Interferenz des Wirkstoffs mit dem Kommunikationssystem der Bakterien die Zell- Zell-Kommunikation der Bakterien zu unterbinden. Dieses Kommunikationssystem basiert auf dem Austausch von Signalmolekülen und reguliert unter Anderem die Produktion von Virulenzfaktoren und die Biofilmbildung. Beide könnten somit über diesen Weg abgeschwächt oder gar unterbunden werden. Die Fortschritte in der Erforschung von Mikroorganismen haben zu einer erhöhten Anzahl an Naturstoffen mit anti - biotischer Wirkung geführt. In der Antibiotikaforschung werden allerdings oft Naturstoffe als besonders wirksam identifiziert, die nachteilige pharmakokinetische Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise eine geringe Lös - lichkeit oder eine schwierige Synthese in großem Maßstab. Die Abteilung DDOP beschäftigt sich mit der Entwicklung von neuartigen, synthetischen Antiinfektiva. Diese werden entweder von Naturstoffen abgeleitet und nachfolgend optimiert, oder sie werden einem rationalen Wirkstoffdesign folgend neu konzipiert. Verschiedene medizinisch-chemische Strategien werden hierfür angewandt, von der Vereinfachung der chemischen Komplexität der Substanzen bis hin zum Computer-gestützten Wirkstoffdesign. In der Abteilung DDOP werden zwei Hauptprojekte bearbeitet, die entweder auf das Bakterienwachstum oder ihr Zell-Zell-Kommunikationssystem abzielen. Entwicklung von potenten Hemmstoffen der bakteriellen RNA-Polymerase Dieses Projekt befasst sich mit der Aufgabe, einen neuartigen, potenten Hemmstoff herzustellen, der das Ablesen der genetischen Information in Bakterien verhindert. Der Angriffspunkt dieses Hemmstoffes ist die sogenannte RNA-Polymerase (RNAP), ein Enzym, das für das Überleben von Bakterien essenziell ist. Jeannine Jung und Cenbin Lu aus der Abteilung DDOP diskutieren die Synthese eines neuen Inhibitors. Foto: HZI, Bellhäuser
WISSENSCHAFTLICHER ERGEBNISBERICHT | Das Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS) 135 RNAP ist das Enzym, das für die Bildung von RNA in Zellen verantwortlich ist. Es ist ein komplexes, sehr großes Enzym mit einer Masse von ca. 400 kDa, das aus verschiedenen Protein-Untereinheiten besteht. Dabei handelt es sich um das katalytisch aktive Core-Enzym (α2ββ‘ω) und den Sigma-Faktor. Diese beiden Proteine interagieren während der Transkription miteinander. Da RNAP essenziell für das Bakterienwachstum ist und dabei spezifisch zwischen Bakterien wirkt, ist es ein attraktives Ziel für die Entwicklung eines Breitbandantibiotikums beim Menschen. Die Hemmung der RNAP hat zur Folge, dass für das Bakterium lebenswichtige Funktionen blockiert werden, die letztendlich dessen Tod bewirken. Als Zielbakterien sind solche besonders interessant, die beim Menschen schwerwiegende Erkrankungen hervorrufen. Hierzu zählt insbesondere Mycobacterium tuberculosis (Mtb), der Erreger der Tuberkulose, der weltweit zwei Millionen Tote pro Jahr verursacht. Da viele Bakterien eine wirkungsvolle Resistenz gegen derzeit auf dem Markt erhältliche Antiinfektiva entwickeln, steigt der Bedarf an neuen Wirkstoffen kontinuierlich. Ziel dieses Projektes ist es, neuartige Hemmstoffe der bakteriellen RNAP zu entwickeln und deren Wirkmechanismus zu verstehen. Der Wirkstoff soll nicht nur hinsichtlich seiner Potenz optimiert werden, sondern dahingehend, dass er in pathogene Bakterien eindringen kann, um dort letztlich seine antibiotische Funktion zu entfalten. Im Rahmen der Wirkstofffindung werden zweierlei Ansätze verfolgt: Der erste Ansatz hat zum Ziel, das Core-Enzym direkt zu hemmen. Da die Struktur der RNAP und verschiedene Hemmmechanismen weitgehend bekannt sind, nutzt die Abteilung DDOP intelligente Computer-gestützte Methoden, um potenzielle Hemmstoffe virtuell ausfindig zu machen. Diese „virtuellen Hits“ werden in experimentellen Tests auf ihre Wirksamkeit überprüft. Hits, die dabei als aktiv hervorgehen, werden in einem chemischen Optimierungszyklus weitergeführt, aus dem potente RNAP-Hemmstoffe hervorgehen sollen. Auch dieser Zyklus wird von virtuellen Designkonzepten und abgeleiteten Strukturwirkungsbeziehungen unterstützt. Der zweite Ansatz hat zum Ziel, die Interaktion zwischen Core-Enzym und Sigma-Faktor, und somit die Bildung des Holoenzyms zu unterbinden. Deren Interaktionsfläche (das „Interface“) ist bereits eingehend untersucht und wurde durch verschiedene Mutagenesestudien charakterisiert. Diese Informationen werden in der Abteilung DDOP genutzt, um eine geeignete Region für die Bindung und folglich für eine Inhibition durch einen Hemmstoff ausfindig zu machen. Erste RNAP-Hemmstoffe wurden bereits identifiziert. Das Ziel besteht nun darin, diese Verbindungen, zum Darstellung der Struktur der RNA Polymerase, die die fünf Untereinheiten hervorhebt. Ligand- und Struktur-basierte Ansätze werden im Design neuer RNAP Inhibitoren verfolgt. Teil kurzkettige Peptide, hinsichtlich ihrer Hemmwirkung und verschiedener pharmakologischer Eigenschaften zu verbessern. Daraus soll letztlich ein Wirkstoff erhalten werden, der seine antibiotische Wirkung gezielt im Menschen entfalten kann. RNAP aus E. coli und Mycobacterium tuberculosis soll kloniert und für biologische Tests der synthetisierten Verbindungen verwendet werden. Die vermuteten Bindungsstellen der neuen potenten Inhibitoren sollen dann durch Mutagenese charakterisiert werden. Entwicklung von Verbindungen, die mit dem PQS quorum sensing Kommunikationssystem in P. aeruginosa interferieren In diesem Projekt beschäftigen sich die Wissenschaftler der Abteilung DDOP mit der Entwicklung von Verbindungen, die mit dem PQS quorum sensing Kommunikationssystem in Pseudomonas aeruginosa interferieren. Lungeninfektionen durch dieses opportunistisch pathogene Bakterium werden als Haupttodesursache für Patienten mit Zystischer Fibrose angesehen. Resistenzen gegen herkömmliche Antibiotika sind oft assoziiert mit der Bildung von Biofilmen, die das Eindringen von eingesetzten Antibiotika durch diese physikalische Barriere verhindern und die Immunantwort herabsetzen. Sowohl die Bildung eines Biofilms als auch die Produktion von Virulenzfaktoren werden durch ein kompliziertes quorum sensing Kommunikationssystem gesteuert. Darüber nehmen Bakterien beispielsweise ihre Populationsdichte wahr und steuern eine Art Gruppenverhalten. Neben den zwei quorum sensing
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