Identifikation, Charakterisierung und Nutzung des Enzymrepertoires, das strukturell variable Kapselpolymere mit ihrem konservierten Glykolipidanker verbindet

• Antragsteller: Dr. Timm Fiebig
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553100037

Kapseln sind wichtige Virulenzfaktoren für bakterielle Krankheitserreger. Sie schützen die Bakterienzelle vor dem Immunsystem des Wirts, vor Austrocknung und physischem Stress. Sie bestehen aus sogenannten Kapselpolysacchariden oder Kapselpolymeren, welche strukturell sehr vielfältige, langkettige Kohlenhydrate darstellen, die zudem Polyole und Phosphate enthalten können. Darüber hinaus dienen sie als Epitope, die die Grundlage für die kapselbasierten Serotypen innerhalb einer Spezies bilden. Kapselpolysaccharide wurden sehr erfolgreich als Antigene in Glycokonjugat-Impfstoffen verwendet, bei denen sie an ein Trägerprotein gekoppelt sind, um eine T-Zell-abhängige Immunantwort auszulösen. Die Enzyme, die Kapseln synthetisieren, sind vielversprechende Werkzeuge für die Entwicklung von pathogenfreien Impfstoff-Syntheseprotokollen und zudem interessante drug targets. Gram-negative Kapseln werden oft mithilfe eines ABC Transporter-abhängigen Enzymkomplexes synthetisiert, der von wichtigen human- und tierpathogenen Erregern exprimiert wird. Darunter fallen extraintestinale pathogene Escherichia coli, Neisseria meningitidis, Haemophilus influenzae, Campylobacter jejuni, Pasteurella multocida und Actinobacillus pleuropneumoniae. Bei all diesen Pathogenen ist das Kapselpolysaccharid über ein konserviertes Glykolipid bestehend aus Phosphatidylglycerol und β-verlinkter 3-desoxy-D-manno-oct-2-ulosonsäure (poly(Kdo)) mit der Zelloberfläche verankert. Die Enzyme, die das Glykolipid synthetisieren, sowie viele Kapselpolymerasen, sind bereits gut verstanden. Im Gegensatz dazu ist das Enzymrepertoire (transition transferases) und somit der Linker, der beide Komponenten verbindet, bisher unbekannt. Dies lässt die Frage offen, wie die dichte Schicht aus Kapselpolymer an der Zelloberfläche befestigt ist. Bisher wurde die Untersuchung von transition transferases durch das Fehlen geeigneter, synthetischer poly(Kdo)-Akzeptorsubstrate erschert. Wir haben ein enzymbasiertes Syntheseprotokoll für fluoreszenzmarkiertes poly(Kdo) entwickelt, das es uns ermöglicht hat, eine Reihe von transition transferases zu identifizieren. In diesem Vorhaben planen wir das Hochskalieren der poly(Kdo)-Synthese, um eine umfassende strukturelle und biochemische Charakterisierung der transition transferases zu ermöglichen. Als neues Konzept in der Kapsel-Biosynthese haben wir beobachtet, dass die transition transferases die Kapselpolymerasen dazu anregen, mehr und längere Kapselpolymere zu produzieren. Wir planen diesen aktivierenden Effekt auf molekularer Ebene zu analysieren, da er impliziert, dass mehr Enzyme als nur die Polymerasen erforderlich sein könnten, um ein Kapsel-Biosynthesesystem erfolgreich zu untersuchen und zu verstehen, oder um effektiv Kapselpolymere enzymatisch für biotechnologische Zwecke wie die Impfstoffentwicklung zu produzieren. Schlussendlich wollen wir die neu gewonnenen Erkenntnisse anwenden, um die Entwicklung pathogenfreier Impfstoffsynthesen voranzutreiben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen