Forschungszentrum Borstel
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Programmbereich Asthma und Allergie

Strukturbiochemie

Projekte

Die FG Strukturbiochemie befasst sich seit vielen Jahren mit Forschungsthemen zu entzündlichen Erkrankungen allergischen und infektiösen Ursprungs, insbesondere auch mit verschiedenen Aspekten der Wirt-Umwelt-Beziehungen bei der Aktivierung des angeborenen Immunsystems. Speziell wurde zur Strukturanalyse, Biosynthese, Genetik und zu Wechselwirkungen mit der Wirtsabwehr von Lipopolysacchariden (LPS) Gram-negativer Bakterien, von Allergie-protektiven Bakterien und Substanzen aus Bauernhöfen, und Lipiden aus Hausmilben und Pollen gearbeitet.

Allergieerkrankungen haben in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen und stellen eines der großen gesundheitlichen Probleme moderner Gesellschaften dar, da die Möglichkeiten zur Therapie und Prävention allergischer Erkrankungen begrenzt sind. Bestehende allergische Erkrankungen lassen sich relativ gut durch verschiedene verfügbare Medikamente lindern, allerdings existieren keine sicheren kausalen Therapien. Die sogenannte 'Hygienehypothese' besagt, dass eine geringere Stimulation des frühkindlichen Immunsystems durch abnehmende Infektionen und Keimexposition zur Zunahme allergischer Erkrankungen führt. Studien in Bauernfamilien und Nicht-Bauernfamilien der gleichen Ortschaften haben diese Hypothese gestützt und nachgewiesen, dass Kinder aus Bauernfamilien im Schulalter seltener Heuschnupfen, Asthma und allergische Sensibilisierung aufweisen. Hierbei zeigte sich, dass der regelmäßige Stallkontakt im ersten Lebensjahr den stärksten Einfluss hatte. Ein von uns mittels physiologischer Kochsalzlösung aus Stallstaub gewonnener Extrakt konnte die Entstehung einer allergischen Entzündung und einer allergischen Atemwegshyperreaktivität in einem Maus-Asthmamodell wirksam verhindern.

Der FG-Leiter (Prof. Dr. O. Holst) arbeitet weiterhin über die Zusammensetzung des Extrakts und versucht wirksame Komponenten in guten Ausbeuten zu isolieren und strukturell und funktionell zu charakterisieren. Auf traditionell geführten Bauernhöfen wurden verschiedene nicht-pathogene Bakterienarten isoliert, die derzeit hinsichtlich ihrer Allergie-protektiven Eigenschaften untersucht werden. Des Weiteren unterstützt die AG Strukturelle Mikrobiologie Untersuchungen zur Auslösung allergischer Reaktionen durch therapeutische Antikörper und der Immunogenität ihrer N-Glykane durch Kohlenhydratanalysen.

Die AG Analytik (Dr. K. Duda) war lange Zeit mit der Strukturanalyse von Molekülen der bakteriellen Zellhülle (LPS, Lipoteichonsäuren, Glycolipide) befasst, und etablierte dabei Protokolle zur Analyse von hochmolekularen bakteriellen Polysacchariden. Diese Arbeiten wurden mit Ende des Jahres 2015 abgeschlossen, und die AG wurde aus der FG ausgegliedert. Seit Januar 2016 leitet Dr. Duda die DZL-Nachwuchsgruppe Allergobiochemie, die sich mit der Struktur-Funktions-Analyse von lipophilen Substanzen aus Pollen und der Hausstaubmilbe befassen wird.

Die AG Molekulare Mikrobiologie (Dr. U. Mamat) hat in der Vergangenheit über 3-Desoxy-D-manno-oct-2-ulosonsäure(Kdo)-Transferasen und anderen Enzymen der LPS-Biosynthese gearbeitet, und dabei u. a. die erste Röntgenstruktur einer Kdo-Transferase entschlüsselt. Weiterhin wurden die sogenannte ClearColi® Technologie zur Produktion von rekombinanten Proteinen in Endotoxin-freien Escherichia coli Zellen entwickelt und über Pathomechanismen von Stenotrophomonas maltophilia, einen in der Lunge sowohl als kommensaler als auch als opportunistisch-pathogener vorkommender Keim, gearbeitet.

Die Produktion von Biofilm stellt einen wichtigen Virulenzfaktor für S. maltophilia dar. Dabei verändert sich das Bakterium zu einem persistierenden und anpassungsfähigen Pathogen. Daher werden Biofilm-produzierende vs. planktonische S. maltophilia hinsichtlich der Expression von Proteinen der Signaltransduktion, des Kohlenhydrat-Transports und -Metabolismus u. a. m. untersucht, zusammen mit Experimenten zur Rolle von outer membrane vesicles (OMVs), die von S. maltophilia in großen Mengen produziert werden und als Vehikel zur Verbreitung von Toxinen und anderer Virulenzfaktoren gelten. Weiterhin wird untersucht werden, welche RNA Moleküle in OMVs verpackt werden und ob OMV-assoziierte siRNAs in der Lage sind die Expression bestimmter Gene in eukaryontischen und prokaryontischen Zellen zu modulieren.

S. maltophilia produziert etliche extrazellulär wirkende Enzyme, die im Menschen vermutlich Serum- und Gewebs-Proteine zerstören. Dieses Szenario wird im Detail analysiert werden.

In der AG Strukturelle Mikrobiologie (PD Dr. S. Müller-Loennies) wurde über lange Zeit über die strukturelle Aufklärung von Antikörper (Ak)-Ligand-Komplexen gearbeitet, wobei u. a.  erstmalig die Struktur eines Endotoxin-neutralisierenden Ak im Komplex mit einem Oligosaccharid eines Endotoxins erhalten wurde. Ebenso wurde die Struktur eines Anti-Lipoid A Ak komplexiert mit ssDNA aufgeklärt. Diese Studien stellen einen wichtigen Beitrag zur Sepsistherapie mit Ak dar und helfen den Prozess der Bildung autoreaktiver Antikörper nach Infektionskrankheiten besser zu verstehen.

Die AG wird zukünftig Moleküle der Zellhülle aus Mykobakterien untersuchen, wobei i) die Struktur und Funktion eines Proteins mit hypothetischer C-Typ Lektinfunktion aus der Zellhülle von M. tuberculosis, ii) die Struktur von Komponenten der Zellhülle eines M. tuberculosis Stamms, der durch Passagieren seine Virulenz verloren hat, iii) die Zellhülle von M. africanum-Stämmen, deren Aufbau unbekannt ist und die im Wirt unterschiedlich erkannt werden, iv) die Proteaseaktivität von MycP1 in Kulturüberständen virulenter Mykobakterien, und v) ein Glucan aus Lipoarabinomannan-Fraktionen einiger atypischer Mykobakterien und seine biologische Aktivität im Fokus stehen.