Antimikrobielle Peptide auf Basis des Trp-cage-Modulprinzips
Hintergrund:
Durch den dauerhaften und weit verbreiteten Einsatz von Antibiotika für human- und tiermedizinische Zwecke wird die Ausbildung von Antibiotikaresistenzen in Bakterien zu einem verstärkt auftretenden Problem. Dies wird durch die Langlebigkeit herkömmlicher Antibiotika in der Umwelt verstärkt. Aus diesem Grund sind alpha-helikale antimikrobielle Peptide (AMPs) in das Interesse der öffentlichen Forschung und der Pharmaindustrie gerückt.
Viele AMPs wirken membranolytisch oder porenbildend, d.h. sie (zer-)stören die Zellmembran von Pathogenen, aber nicht die der menschlichen Zellen. Durch diese Wirkungsweise werden der Ausbildung von Resistenzen in Bakterien deutlich höhere Anforderungen gesetzt. Ein Nachteil von AMPs ist jedoch, dass die Peptide in Lösung keine Struktur aufweisen und sie dadurch besonders anfällig gegenüber enzymatischem Abbau sind. Dies führt zu einer geringen Bioverfügbarkeit im Körper und erschwert ihren Einsatz als antibiotischer Wirkstoff. Die enzymatische Abbaubarkeit wird allerdings zu einem Vorteil, sobald die Peptide in die Umwelt gelangen, wo sie sich schnell zersetzen.
Zielsetzung:
Das Ziel meiner Arbeit ist eine neue Möglichkeit zu erforschen, die Bioverfügbarkeit von AMPs zu erhöhen, um ihren Einsatz als medizinisches Antibiotikum zu erleichtern. Der gewählte Ansatz beinhaltet die Fusion zweier Peptide ein kurzes AMP und das Trp-cage Miniprotein – zum antimikrobiellen Trp-cage (AMTC).
Das Trp-cage-Miniprotein besitzt eine stabil gefaltete Sekundär- und Tertiärstruktur. Durch die Fusion mit einem kurzen AMP soll der zunächst funktionslose Trp-cage die antimikrobiellen Eigenschaften des Fusionspartners erhalten. Es ist meine Hypothese, dass aus der stabileren dreidimensionalen Struktur eine reduzierte enzymatische Abbaubarkeit resultiert, aber die antimikrobielle Aktivität erhalten bleibt. Damit werden Anwendungen als medizinisches Antibiotikum denkbar. Dass die Fusion aus AMP und Trp-cage den biologischen Abbau des Chimärenpeptids komplett verhindert und damit die Umweltverträglichkeit gefährdet ist, ist keinesfalls zu erwarten.
Durchgeführte Untersuchungen:
Diese Arbeit zeigt, wie die Fusion des bekannten αAMP KR-12 miteiner Trp-cage-Domäne zu einer Stabilisierung der α-helikalen Konformation im AMP-Teil des Fusionsprodukts beiträgt, das als antimikrobieller Trp-cage (AMTC) bezeichnet wird. Die Korrelation von Strukturdaten mit den Ergebnissen aus einer Analyse der enzymatischen Abbaubarkeit konnte zeigen, dass die stabilisierte Struktur des AMTC für eine höhere Resistenz gegen enzymatischen Abbau sorgt. Weitere AMTCs wurden entworfen indem das αAMP IsCTmit einer Trp-cage-Domäne fusioniert wurde und indem die α-Helix eines Trp-cage-Proteins zueiner amphipatische Helix mit bis zu vier Windungen verändert und verlängert wurde. Die Aktivität aller entworfenen AMTCs wurde in vitro gegen vier verschiedene Bakterien getestet. Während die Trp-cage-Domäne allein keine Aktivität zeigte, wiesen alle entworfenen AMTCs eine antimikrobielle Aktivität auf, deren Stärke sich jedoch untereinander unterschied. Obwohl ein Liposomen-Depolarisations-Test auf einen Membran-perforierenden Wirkmechanismus der AMTCs hinwies, war die Porenbildung gegenüber menschlichen Erythrozyten nur schwach ausgeprägt. Folglich konnte die Fusion eines AMPs mit einer Trp-cage-Domäne aktive antibakteriell wirkende Peptide mit einer geringen hämolytischen Aktivität und erhöhter Resistenz gegen enzymatischen Abbau hervorbringen.