Inhibition des Quorum Sensings gram-negativer Bakterien durch die Naturstoffe Fimbrolid und Elegaphenon

• Antragsteller: Professor Dr. Stephan A. Sieber
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 358921956

Infektionskrankheiten, die von multi-resistenten Bakterienstämmen hervorgerufen werden, stellen eine große Bedrohung für die Gesundheit dar. Vor allem gram-negative Stämme sind durch ihre fast unüberwindbare Zellmembran nur sehr schwer behandelbar und die Erforschung neuer, resistenz-freier Therapieansätze ist ein wichtiges Ziel. Ein möglicher Ansatzpunkt ist die Unterbrechung der chemischen Kommunikation, auch Quorum Sensing (QS) genannt, die für deren Pathogenität essentiell ist. In vorangegangenen Arbeiten gelang es uns, Fimbrolid-basierte Naturstoffe in Vibrio harveyi als Inhibitoren von LuxS, einem zentralen Regulator des QS-Stoffwechselweges, zu identifizieren. Der erste Teil dieses Forschungsprojekts fokussiert daher auf die Hemmung von LuxS durch eine zweite Inhibitorgeneration im pathogenen, gram-negativen Stamm Salmonella typhimurium. Dafür werden wir zunächst die Kokristallstruktur von Fimbrolid und LuxS in den Stämmen S. typhimurium und V. harveyi lösen, um daraus Einblicke in den Inhibitionsmechanismus zu erhalten und dementsprechend verbesserte Inhibitoren zu entwickeln. Darüber hinaus soll die Selektivität des wirkungsvollsten Inhibitors in S. typhimurium mittels einer entsprechenden Sonde und massenspektrometrischer Proteomanalyse untersucht werden. Mit dem besten und selektiven LuxS-Inhibitor werden wir dann nicht nur dessen Effekt auf die Pathogenität von S. typhimurium untersuchen, sondern vielmehr versuchen ein mechanistisches Rätsel zu lösen. Obwohl AI-2 der einzig vollständig aufgeklärte QS-Regulator innerhalb von S. typhimurium ist, ist dessen genauer Einfluss auf die Regulation von Pathogenitätsfaktoren bisher nicht bekannt. Wir beabsichtigen deshalb, dessen Funktion in der Pathogenese von S. typhimurium mit den neuen LuxS Inhibitoren über Proteom-Untersuchungen zu erforschen.Der zweite Teil des Forschungsprojekts widmet sich Elegaphenon, einem Naturstoff, der aus Hypericum elegans isoliert wurde. Die Substanz ist für ihre antibakterielle Wirkung in gram-positiven Bakterienstämmen bekannt. Überraschenderweise konnten wir in ersten Modellversuchen eine Inhibition QS-basierter Virulenz in Pseudomonas aeruginosa, einem pathogenen Keim mit hoher klinischer Relevanz, durch den Naturstoff feststellen. Da diese Bioaktivität auf einen neuen, vielversprechenden therapeutischen Ansatz hindeutet, möchten wir hier eine entsprechende Sonde basierend auf dem Naturstoff synthetisieren, den zellulären Wirkmechanismus aufklären und zudem die Rolle in QS analysieren. Darüber hinaus werden an Hand von Struktur-Aktivitäts-Beziehungen weitere QS-Inhibitoren synthetisiert und auf antibakterielle Wirkung in gram-negativen Bakterien getestet.Zusammengefasst hat dieses Forschungsprojekt das Ziel, naturstoffbasierte QS-Inhibitoren als Ausgangspunkt für weitere synthetische Optimierungen, detaillierte mechanistische Studien und schließlich die Entwicklung neuer antibakterieller Inhibitoren zu nutzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen