Ionen- und Antibiotika-Transport durch die Phosphat-spezifischen Porine OprP und OprO der äußeren Membran

• Antragsteller: Professor Dr. Roland Benz; Professor Dr. Ulrich Kleinekathöfer
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 190764917

Die äußere Membran von Gram-negativen Bakterien bildet eine physikalische Barriere gegen das Eindringen in diese Bakterien. Unverzichtbare Pfade für den Fluss von Ionen, Nährstoffen und Metaboliten aber auch schädliche Substanzen wie Antibiotika sind durch Poren in der äußeren Membran gegeben. Das Bakterium Pseudomonas aeruginosa ist ein außergewöhnlich vielseitiger Organismus, der einer der bedeutenden opportunistischen Krankheitserreger in unser Gesellschaft geworden ist. Seine intrinsische Resistenz ist vermutlich durch die ungewöhnlich niedrige Permeabilität der äußeren Membran begründet. Anders als vielen anderen Gram-negative Bakterien fehlt dem Bakterium P. aeruginosa eine große Anzahl von allgemeinen Diffusions-Porinen und es ist auf enge und Substrat-spezifische Kanäle für die Erfassung von Nährstoffen und Metaboliten, die es für Wachstum und Metabolismus benötigt, angewiesen. Daher müssen auch Antibiotika-Moleküle diese engen und Substrat-spezifischen Kanäle passieren. Eines dieser Porine aus der OprD-Familie ist die bei Phosphat-Mangel induzierte OprP-Pore, die eine Bindungsstelle für Phosphat enthält. In der ersten Phase des Projektes wurden der OprP-Wildtyp und mehrere Mutanten in der Arginine-Leiter mit Hilfe von Elektrophysiologie und Molekulardynamik-Simulationen analysiert. Ferner wurde in der ersten Phase des Projektes die OprO-Pore, die Diphosphat-spezifisch und sehr ähnlich zu OprP ist, in einer ersten Studie inklusive Kristallstruktur untersucht. Eine strukturelle Analyse von OprP und OprO hat zwei hauptsächliche Unterschiede in der zentralen Engstelle ergeben. Eine Doppel-Mutante von OprP wurde erstellt, die Selektivitätseigenschaften ähnlich denen von OprO hat. Die umgekehrte Doppel-Mutante fehlt bisher und muss noch angegangen werden. Während sich die erste Phase des Projektes auf Mutanten in der Arginine-Leiter von OprP konzentriert hat, wird die zweite Phase einen Fokus auf den Lysin-Clustern in sowohl OprP als auch OprO haben, da diese Cluster für die jeweiligen Selektivitäten wichtig sind. In einem nächsten Schritt soll die Translokation der Phosphat-enthalten Antibiotika Fosfomycin und Fosmidomycin durch die Phosphat-spezifischen Poren OprP und OprO in Doppelmembran-Experimenten und Molekulardynamik-Simulationen untersucht werden. Die OprP- und OprO- Poren sind offensichtliche Kandidaten für den Transport dieser Arzneimittel-Moleküle. Die Studien sollen auch auf asymmetrische Membranen mit LPS von P. aeruginosa auf einer Membranseite erweitert werden. Zusätzlich ist die Entwicklung von Werkzeugen für die theoretische Analyse von Kanälen geplant und der Test der Anwendbarkeit einer vor Kurzem entwickelten Hybrid-Methode, in der nur die wichtigen Teile der Systeme auf der vollständig atomaren Ebene modelliert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen