Chemical strategies toward bacterial communication and coordinated population behavior
Biochemistry
Organic Molecular Chemistry - Synthesis and Characterisation
Final Report Abstract
Die Zielsetzung des vorliegenden Emmy Noether Projektes war es, chemische Strategien zu entwickeln, welche die Kommunikationsmechanismen und das koordinierte Populationsverhalten von Bakterien modulieren können. Dies soll letztlich zu einem verbesserten Verständnis bakterieller Interaktionen und Infektionsprozesse beim Menschen beitragen, sowie chemische Werkzeuge zur gezielten Manipulation biologischer Prozesse bereitstellen und nicht zuletzt neue Möglichkeiten für eine therapeutische Intervention gegen bakterielle Infektionen aufzeigen. Dieses Vorhaben wurde in vier Teilprojekten realisiert. Hierbei konnten wir zunächst eine Strategie zur kompetitiven Markierung bakterieller Enzyme mit elektrophilen chemischen Sonden entwickeln, die es erlaubte direkt in lebenden Zellen Inhibitoren für die zentralen Enzyme der Chinolon-Biosynthese PqsD und HmqD der Krankheitserreger Pseudomonas aeruginosa und Spezies der Gattung Burkholderia zu entwickeln. Mit diesen hoch aktiven Inhibitoren konnte eine allgemeine Hemmung der Chinolon-Biosynthese sowie der dadurch koordinierten Produktion von Virulenzfaktoren erreicht werden. Weiterhin konnten wir aufbauend auf der privilegierten Struktur von 2-Alkyl-4-Chinolonen Inhibitoren für den Virulenzfaktor Elastase von P. aeruginosa entwickeln. Weitere synthetische Chinolon-Derivate sowie nativ von P. aeruginosa produzierte Chinolon-N-oxide erwiesen sich überraschend als hoch-wirksame und teilweise sehr selektive Antibiotika. Es konnte hierbei gezeigt werden, dass ein ungesättigtes Chinolon-N-oxid in trans-Konfiguration als einer der Hauptmetaboliten von P. aeruginosa produziert wird und eine 10-20fach höhere Aktivität gegen Staphylococcus aureus sowie dessen multiresistente MRSA Stämme aufweist, als die bisher bekannten gesättigten Verbindungen. In aktuellen Studien konnte zudem eine besonders starke Wirksamkeit bestimmter Chinolon-N-oxide gegen den Erreger der Gonorrhö gezeigt werden. Synthetische Derivate erwiesen sich hingegen als äußerst selektive und hochsensitive Antibiotika gegen Moraxella catarrhalis mit nanomolarer Aktivität. Mithilfe einer neuartigen Liganden-Selektionsstrategie konnten wir spezifische Sonden für weitere Angriffsziele zur Modulation des Populationsverhaltens entwickeln und das Potenzial dieser Strategie durch die rasche Etablierung chemischer Sonden und das kompetitive Screening von Inhibitoren gegen beide Cysteinproteasen des Corona Virus SARS-CoV-2 demonstrieren. Während Chinolon-N-oxide antibiotische bakterielle Waffen gegen Konkurrenten darstellen, konnten wir bei der Suche nach Inhibitoren des Schwarmverhaltens die Konkurrenz zwischen Bakterien durch die Siderophore von Shewanella algae und die Siderophor-Piraterie durch Vibrio alginolyticus genauer untersuchen. Wir zeigten, dass Shewanella algae durch fein abgestimmte Substratverhältnisse die Produktion seiner drei Siderophore so optimiert, dass Avaroferrin, ein chimäres Siderophor, welches das Schwarmverhalten von Vibrio hemmt, als Hauptprodukt gebildet wird. Synthetische Substrate ermöglichten die Produktion von maßgeschneiderten Ringgrößen-Varianten makrocyclischer Hydroxamate, die auch als Schwarminhibitoren aktiv waren, sowie ein tiefergehendes Verständnis der Steuerung der Biosynthese von trimeren und dimeren Hydroxamat-Siderophoren. Im letzten Teilprojekt sollte die Möglichkeit der Induktion latenter Prophagen durch bakterielle Spezies-Spezies Interaktionen erforscht werden. In einem Modellsystem untersuchten wir Extrakte diverser Bakterien auf die Phageninduktion in Staphylococcus aureus und konnten hierbei Pyocyanin als Metaboliten von Pseudomonas aeruginosa identifizieren, der in S. aureus eine Induktion von Phagen um drei Größenordnungen bewirkt. Überaschenderweise erwies sich der Metabolit Prophagen-selektiv und induzierte nur einen von mehreren Prophagen über einen neuen, SOS-Antwort-unabhängigen Mechanismus. Diese Ergebnisse begründen eine völlig neue Blickweise auf die chemischen Interaktionen zwischen Bakterienpopulationen und ihren latenten Phagen. Unsere Forschungsergebnisse erhielten auch Aufmerksamkeit in den Medien, wie unter anderem in Laborjournal, Südkurier, transkript Laborwelt, P.M. Magazin und kürzlich in der Tageszeitung Die Presse.
Publications
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