PKS_STRUCTURE - Strukturelle Charakterisierung von Wirkstoff-produzierenden Polyketidsynthasen durch Elektronenmikroskopie, Röntgen-Kleinwinkelstreuung und der Kombination von biophysikalischen und synthetisch-chemischen Ansätzen

• Antragsteller: Professor Dr. Russell J. Cox; Professor Dr. Andreas Kirschning
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316629434

Die als Megaenzymkomplexe existierenden bakteriellen und fungischen Polyketidsynthasen (PKS) biosynthetisieren viele medizinisch genutzte Wirkstoffe. Ihre Bedeutung erstreckt sich auf antitumorale, antibakterielle, antifungische und Cholesterin-senkende Verbindungen wie auch auf die Agrochemie und Veterinärmedizin. Diese Proteinkomplexe bestehen aus einer Serie von katalytischen Carrier-Proteindomänen, die kooperativ arbeiten und strukturell, stereochemisch hochkomplexe Produkte liefern. Genetische Manipulationen an der PKS stellen einen viel versprechenden Ansatz für das akademische und biotechnologische Umfeld dar, um gewünschte Derivate mit verbesserten Eigenschaften und erhöhter Wertschöpfung zu generieren. Diese Strategien können z. B. dafür verwandt werden, neue Chemotherapeutika und Wirkstoffe gegen resistente Bakterien zu entwickeln. Ein großes Problem für eine mögliche rationale Nutzung der PKS liegt in dem geringen Verständnis von strukturbiologischen Aspekten und der Bestimmung ihrer dreidimensionalen Struktur. Sie erlaubt Einblicke in die konformative und funktionelle Beeinflussung der Domänen untereinander. Dieses Projekt wird durch ein deutsch-französisches Team bestehend aus vier Arbeitsgruppen getragen (Kirschning & Cox, Univ. Hannover, Deutschland (Partner 1 & 2) und Weissman, Univ. Lothringen, Frankreich (Partner 3) sowie Spinelli/Cambillau, Univ. Marseille, Frankreich (Partner 4)). Hierzu werden mehrere intakte PKS-Module unterschiedlicher Zusammensetzungen aus zwei verschiedenen bakteriellen und einer fungischen Quelle untersucht. Die sind so gewählt, dass beide prinzipiellen PKS, eine bakterielle (vom trans-AT-Typ) und eine vollständige, iterativ arbeitende fungische PKS bearbeitet werden können. Methodisch-analytisch sollen SAXS gefolgt von hochaufgelöster Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) eingesetzt werden. Als Zielmodule werden ihre apo- und holo-Formen bearbeitet. Diese werden in Anwesenheit ihrer natürlichen intermediären Substrate sowie cross-linking Agentien untersucht, welche durch chemische Synthese bereitgestellt werden. Das Projekt zeichnet sich durch das Zusammenführen komplementärer Kompetenzen in verschiedenen Schlüsselgebieten aus. Hauptziele dieses Projekts sind das Verständnis a) multipler PKS Multienzyme-Komplexe und b) von konformationellen Änderungen bezüglich der funktionellen Zustände der beteiligten Proteine zu vertiefen. Die über dieses Projekt gesammelten Daten werden grundlegende Erkenntnisse für eine effizientere Verwendung der Synthetischen Biologie und der Möglichkeit des Umgestaltens (re-engineering) der PKS-Maschine liefern. Diese sind Voraussetzung, um durch gezielte Manipulationen neue Polyketidanaloga mit therapeutisch verbessertem Potential zu generieren. Wir zielen mit diesem Projekt darauf ab, Polyketidanaloga durch rationale genetische Manipulation (genetic engineering) in Kooperation mit pharmazeutischen und biotechnologischen Firmen verfügbar zu machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Christian Cambillau; Professorin Dr. Silvia Spinelli; Professorin Kira J. Weissman, Ph.D.