Charakterisierung und Nutzung von Kapselbiosynthese-Enzymen der Gruppe 2

• Antragsteller: Dr. Timm Fiebig
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 412824531

Die Expression einer Kapsel ermöglicht bakteriellen Erregern das Überleben im Wirt. Die Polysaccharide, welche die Kapsel bilden, werden vom Immunsystem des Wirts jedoch als fremd erkannt und können daher als Bestandteil hoch wirksamer Glykokonjugat-Vakzine verwendet werden. Bei der Herstellung dieser Impfstoffe werden die Kapselpolymere aufwendig aus Bakterienkulturen gereinigt. Die daraus resultierenden hohen Produktionskosten verhindern den globalen Einsatz der Vakzine und stehen darüber hinaus einer Verwendung im Bereich der Tiergesundheit im Weg, wo effektive Impfstoffe die Gabe von Antibiotika reduzieren und damit dem Auftreten antibiotikaresistenter Keime entgegenwirken könnten. Um die pathogenfreie Bereitstellung von Glykokonjugat-Vakzinen durch chemo-enzymatische Synthese von Kapselpolymeren zu ermöglichen, arbeiten wir an der in vitro Nutzung rekombinanter Enzyme aus Gruppe 2 Kapselbiosynthese-Komplexen. Im Vordergrund stehen dabei die sogenannten Kapselpolymerasen (CPs), welche die Polymere ausgehend von Nukleotid-aktivierten Substraten synthetisieren. Wir haben kürzlich mit den TagF-ähnlichen CPs eine neue CP-Familie beschrieben, die mittels Glykosyltransferase- und Hexose-/Polyol-Phosphattransferase-Domänen hoch komplexe Polymere bestehend aus Sacchariden, Phosphat und Polyolen bilden. Durch Kapsel-modifizierende Glykosyl- (GTs) und O-Acetyltransferasen (OATs) wird die strukturelle Vielfalt der Polymere weiter erhöht. TagF-ähnliche CPs werden von klinisch relevanten Keimen wie Actinobacillus pleuropneumoniae (App) und Haemophilus influenzae (Hi) exprimiert. App ist schweinespezifisch und verursacht weltweit erhebliche wirtschaftliche Schäden. Hi ist ein Humanpathogen und kann besonders in Kindern schwere Atemwegserkrankungen hervorrufen. In der ersten Antragsperiode haben wir den Elongationsmechanismus von TagF-ähnlichen CPs charakterisiert und so verändert, dass die Synthese von maßgeschneiderten Polymeren im Milligramm-Maßstab möglich wurde. Darüber hinaus wurden Synthesewege für die nicht kommerziell erhältlichen Nukleotid-Polyol-Substrate der TagF-ähnlichen CPs entwickelt. Um die biotechnologische Nutzung der TagF-ähnlichen CPs und assoziierter Enzyme weiter voranzutreiben, wurden sieben neue Kapsel-modifizierende Transferasen (zwei OATs und fünf GTs) aus App und eine neue TagF-ähnliche CP aus Hi Serotyp b identifiziert. Letztere enthält eine Ribosyltransferase-Domäne mit neuartiger Faltung. Im Rahmen dieses Vorhabens soll mit Hilfe der GTs/OATs eine auf Festphasensynthese basierte Enzymkaskade für die Herstellung eines pentavalenten anti-App Impfstoffs entwickelt werden. Des Weiteren wird, ausgehend von kostengünstiger Ribose, die vollenzymatische Synthese des Hib-Polymers angestrebt. Basierend auf vielversprechenden vorläufigen Kristallisationsstudien soll zudem die erste biochemische und strukturbiologische Charakterisierung einer Polymer-modifizierenden GT, einer OAT und der Ribosyltransferase-Domäne aus Hib erreicht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen