Physik der Adhäsion von Giardia duodenalis und ihre strukturelle Grundlage: Verständnis des Schlüsselprozesses für die Kolonisierung des Dünndarms durch einen global prevalenten einzelligen Parasiten und Erreger der Giardiasis

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Anton Aebischer; Professorin Dr. Karin Jacobs; Dr. Jan Philipp Jung
• Fachliche Zuordnung: Parasitologie und Biologie der Erreger tropischer Infektionskrankheiten ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491920994

Giardia duodenalis stellen eine Gruppe protozoischer Parasiten und den kausalen Erreger der Giardiasis dar, einer weltweit verbreiteten gastrointestinalen Erkrankung. Im Lebenszyklus von Giardia Spezies werden zwei Wuchsformen unterschieden. Zum einen, die sich-replizierenden Trophozoiten, welche den Dünndarm von Säugetieren besiedeln und zum anderen die Zystenform, welche als Dauerstadium vom Wirt ausgeschieden wird. Giardia duodenalis Trophozoiten verfügen über vier Geißelpaare, die es ihnen ermöglichen die Epithelzellschicht des Dünndarms zu erreichen, dort zu adhärieren und eine Infektion auszulösen. Der Adhäsionsprozess wird durch ein einzigartiges Organell, die so genannte ventrale Scheibe, ermöglicht, die aus einem Array aus Mikrotubuli besteht, welches mit DAP (engl. disc associated proteins) in Verbindung steht. Zur detaillierten Funktion der ventralen Scheibe wurde bislang ein hydrodynamisches Modell vorgeschlagen. Hier wird durch das Schlagen der ventralen Flagellen ein dynamischer Unterdruck erzeugt, welcher den Trophozoiten am Untergrund verankert. Arbeiten des Teams unseres Mitantragstellers Scott Dawson (UC Davis) allerdings, stellen das hydrodynamische Modell in Frage, da Trophozoiten von Stämme mit nicht-funktionalem ventralem Flagellenschlag nach wie vor an Oberflächen anhaften können. Die detaillierte Funktion der ventralen Scheibe bleibt also zunächst unklar. Wir postulieren, dass Giardien ihren Adhäsionszyklus als aktiven Prozess steuern, der auf Unterdruck und/oder einem Festklemmen am Untergrund beruht, was in den mechanischen Eigenschaften der ventralen Scheibe verankert ist. Wichtige Schritte in der ersten Förderperiode waren die Etablierung einer Rasterkraftmikroskopie-basierten Methode zur Einzelzell-Kraftspektroskopie von Trophozoiten, sowie die Initiierung von ODT (engl. optical diffraction tomography) und Brillouin-Mikroskopie-basierter Verfahren zur weiteren Charakterisierung der morphologischen Eigenschaften der ventralen Scheibe in Zusammenarbeit mit dem Team von Jochen Guck (MPI, Erlangen). Darüber hinaus ist es uns gelungen, eine CRISPR/Cas-basierte Methode zu etablieren, um DAP-defiziente Stämme herzustellen, sowie, von humanen Dünndarmorganoiden abgeleitete Zell-Monolayer mittels Einzelzell-Kraftspektroskopie mit Trophozoiten messbar zu machen. Auf dieser Grundlage planen wir, i) die Anheftung von Trophozoiten an synthetische und natürliche Modelloberflächen mit Hilfe von Einzelzell-Kraftspektroskopie und Flusskammer-Modellen zu untersuchen, ii) durch Analysen von DAP-Knockout-Stämmen einzelnen strukturellen Einheiten der ventralen Scheibe Kraftkomponenten und damit Funktionen zuzuordnen iii) mechanische Signale zu identifizieren, die von Wirtszellen bei der Interaktion mit Trophozoiten detektiert werden und iiii) die Entwicklung eines detaillierten physikalischen Modells zur Funktion der ventralen Scheibe und somit der Adhäsion von Giardia duodenalis Trophozoiten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2332: Physik des Parasitismus
• Internationaler Bezug: USA
• Mitverantwortlich: Dr. Christian Klotz
• Kooperationspartner: Professor Dr. Scott Dawson