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Mikrobiologie und Infektiologie

Medizinische u. Biochemische Mikrobiologie

Projekte

Wir befassen uns mit den grundlegenden (molekularen) Vorgängen von Infektionskrankheiten, wobei wir uns im Wesentlichen auf die Sepsis (Blutvergiftung) und Infektionen mit Bakterien der Art Chlamydia konzentrieren:

Die Sepsis ist die schwerste Form einer bakteriellen Infektion, bei der sich die Erreger über den Blutweg im gesamten Körper verbreiten. Ausgangspunkt für eine Sepsis können sowohl harmlose örtlich begrenzte (lokale) Infektionen wie Kratz-, Biss-, Stich- oder Brandwunden sein, als auch schwere Infektionen eines einzelnen Organs wie die Lungenentzündung (Pneumonie), die Bauchfellentzündung (Peritonitis) oder eine Hirnhautentzündung (Meningitis). Die Auswirkungen (klinischen Symptome einer Sepsis) werden von Bestandteilen der Bakterien ausgelöst, die als Toxine bezeichnet werden. Man unterscheidet zwischen gram-positiven und gram-negativen Bakterien, die jeweils zur Hälfte an der Sepsis beteiligt sind, wobei wir uns für die gram-negativen Bakterien interessieren. Diese bilden das sogenannte Endotoxin, das eine Vielzahl von schädlichen Reaktionen im Menschen auslöst (Fieber, Blutdruckabfall, Freisetzung von zellzerstörenden Botenstoffen, Schock und Tod). Chemisch handelt es sich um ein Molekül, das aus Zuckern und Fettsäuren besteht (Lipopolysaccharid, LPS), welches im Menschen zur Bildung von Antikörpern führt, die die schädlichen Wirkungen neutralisieren können. Ziel unserer Arbeit ist es unter anderem, solche schützenden Antikörper experimentell in der Zellkultur herzustellen, um sie als Medikament bei Patienten mit Sepsis einsetzen zu können.

Einen solchen Antikörper haben wir in den vergangenen Jahren entwickelt. Dieser Antikörper kann in vitro und in vivo zahlreiche schädliche Aktivitäten des Endotoxins neutralisieren. Wir haben bislang nicht verstanden, worauf die neutralisierende Wirkung beruht. Voraussetzung für ein solches Verständnis ist ist die detaillierte Kenntnis der Bindungsstelle des Antikörpers an das Endotoxinmolekül (Epitopspezifität). Im letzten Jahr ist es uns, durch Darstellung isolierter, definierter Oligosaccharide und ihrer Verwendung in Bindungstesten, gelungen, dieser Kenntnis deutlich näher zu kommen. Wir konnten aus dem gesamten Endotoxinmolekül eine Minimalstruktur bestimmen, die für die Bindung des Antikörpers notwendig ist.

Abbildung 1: Zuckergrundgerüst des Lipopolysaccharids (Endotoxins) aus Escherichia coli R3 (A) sowie die zur Bindung des Antikörpers notwendige Minimalstruktur (B). Die besonders zur Bindung beitragenden Gruppen sind grau hinterlegt.
Zuckergrundgerüst des Lipopolysaccharids

 

Chlamydien sind sehr kleine Bakterien, die in Nordafrika und Asien eine chronische Augenentzündung (Trachom) verursachen, an der über 300 Millionen Menschen erkrankt und über 7 Millionen erblindet sind. In unseren Breiten kennt man Chlamydien als Erreger sexuell übertragener Infektionen der ableitenden Harnwege und der Geschlechtsorgane. Bei der Frau führt der Befall der Gebärmutter und der Eileiter häufig zur Unfruchtbarkeit. Eine zweite Art (Chlamydophila pneumoniae) führt zu Infektionen der Atemwege (Bronchitis, Pneumonie), die meist harmlos verlaufen. Die Chlamydien sind ebenfalls gram-negative Bakterien, besitzen deshalb auch ein LPS, welches ein schwaches Endotoxin ist und deshalb keine Sepsis verursacht. Es ist aber eines der Hauptoberflächenantigene der Chlamydien und spielt in der Diagnostik eine besonders bedeutende Rolle. Wir interessieren uns zum einen für die chemische Struktur dieses Antigens, um mit den entsprechenden Antikörpern Chlamydieninfektionen besser diagnostizieren, zum anderen, um das Verhältnis von Struktur zu endotoxischer Wirkung besser verstehen zu können. Eine hochaktuelle Hypothese geht davon aus, dass Chlamydien bei der Entstehung der Gefäßverkalkung (Arteriosklerose) und dem Herzinfarkt beteiligt sind. Hier könnte dem LPS als Auslöser einer chronischen Entzündung eine besondere Bedeutung zukommen, so dass wiederum Antikörper gegen das Chlamydien LPS Schutzwirkungen haben könnten. Auch hier geht es wieder darum zu verstehen, wie Antikörper an Chlamydien auf atomarer Ebene binden. Im vergangenen Jahr ist es uns gelungen, den Antigen-Antikörper Komplex eines murinen monoklonalen Antikörpers in Bindung mit einem isolierten Oligosaccharid, welches die Hauptantigenderterminante der Chlamydien darstellt, durch Röntgenstrukturanalyse atomar aufzuklären.

Abbildung 2: Darstellung der Bindungstasche von zwei murinen monoklonalen Antikörpern, die als Minimalstruktur ein Disaccharid (A) bzw. ein Trisaccharid (B) der 3-Desoxy-oct-2-ulosonsäure (Kdo) aus dem Lipopolysaccharid der Chlamydien erkennen.
Bindungstasche von zwei murinen monoklonalen Antikörpern

 

Schließlich untersuchen wir die Biosynthese von LPS in verschiedenen Bakterien, wobei wir die beteiligten Gene klonieren und die von ihnen kodierten Enzyme in vitro charakterisieren. Diese Arbeiten zielen darauf ab, durch Hemmung solcher Enzyme die Synthese der essentiellen Zellwandkomponente LPS zu unterbinden, was Grundlage für die Entwicklung neuer Antibiotika sein könnte. Alle Projekte werden mit Methoden der analytischen (strukturaufklärenden) Biochemie, der Enzymologie sowie der Mikro-, Molekularbiologie und Immunologie beantwortet. Hierbei haben wir uns in jüngster Zeit auf die Darstellung von Glykosyltransferasen der Lipopolysaccharidbiosynthese konzentriert. Besonders haben wir uns auch dem Bakterium Burkholderia gewidmet, das als Erreger schwerer Lungeninfektionen bei Mukoviszidose eine bedeutende Rolle spielt.

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