Bestimmung der Strukturänderungen von Modellmembranen gramnegativer Bakterien während ihrer Wechselwirkung mit antimikrobiellen Peptiden: spektroskopische und mikroskopische Untersuchung unter elektrochemischer Kontrolle

• Antragstellerin: Privatdozentin Dr. Izabella Brand
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 313369892

Antimikrobielle Peptide (AMP) sind kleine, positiv geladene Peptide, die durch ihre Wechselwirkungen mit biologischen Zellmembranen zu Strukturänderungen und Verletzungen von Mikroben-Membranen führen. Im Gegensatz dazu ändert die Wechselwirkung zwischen AMPs und Zellmembranen eukaryotischer Organismen weder die Struktur noch Integrität dieser Membranen. Die Erkennung molekularer Veränderungen an Lipiden und Peptiden, welche an dieser Wechselwirkung beteiligt sind, ist entscheidend, um die Selektivität von Peptiden gegenüber mikrobiellen Membranen sowie Reaktionen des angeborenen Immunsystems zu verstehen und neue Generationen von Antibiotika zu entwickeln. Die Erstellung von Lipid-Membran-Modellen der Pathogene und eukaryotischen Organismen in Kombination mit einer in situ-Analyse ihrer Struktur kann dabei helfen, molekulare Prozesse dieser Wechselwirkungen und die Spezifität antimikrobieller Peptide gegenüber bestimmten Membranen zu verstehen.Die Zusammensetzung und supramolekulare Struktur der bakteriellen Zellmembran unterscheiden sich deutlich von der Säugetier-Zellmembran. In diesem Projekt werden unsymmetrische Lipid-Doppelschichten, die bezüglich ihrer Zusammensetzung und Struktur eine hohe Ähnlichkeit zu gramnegativen Bakterien aufweisen, mittels der Langmuir-Blodgett-Methode erstellt. Phospholipid-reiche symmetrische und antisymmetrische Doppelschichten dienen hierbei als Modelle für Säugetier-Membranen. Die gegen gramnegative Bakterien aktiven Cecropin- und Melittin-Peptide werden verwendet.Elektrostatische Wechselwirkungen spielen eine wichtige Rolle bei der Erhaltung der unsymmetrischen Struktur der bakteriellen Zellmembran sowie bei der Bindung von AMPs zur Membran-Oberfläche. Diese Wechselwirkungen beeinflussen die elektrochemischen Eigenschaften der Lipid-Membran. Wird eine Lipid-Membran auf einer Elektrodenoberfläche abgeschieden, können Veränderungen ihrer elektrochemischen Eigenschaften im Zuge der Wechselwirkung mit AMPs in situ verfolgt werden. In dieser Studie werden die Strukturänderungen der Membran, die aus dieser Wechselwirkung resultieren, in situ mittels Polarisations-Modulations-Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie unter elektrochemischer Kontrolle erfasst. Diese experimentelle Annäherung erlaubt die sub-molekulare Charakterisierung der Struktur-, Konformations- und Hydratisierungsänderungen der Lipidschichten sowie der Struktur und Orientierung des wechselwirkenden Peptids als Funktion des elektrischen Feldes an der Membran. Auf diese Weise wird ein ganzheitliches Bild der strukturellen Veränderungen an Lipid-Membranen, die physiologischen elektrischen Feldern ausgesetzt sind, erzeugt. Die Ergebnisse dieser Forschung ermöglichen die Aufklärung der molekularen Prozesse, die sich im Zuge der Wechselwirkung zwischen AMPs und Zellmembranen ereignen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Slawomir Sek