Regulation und antimikrobielle Inhibierung der Lipopolysaccharide-Biosynthese in Escherichia coli

• Antragsteller: Professor Dr. Franz Narberhaus
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 543833581

Die Zellhülle Gram-negativer Bakterien besteht aus drei Schichten: der Zytoplasmamembran mit Phospholipiden (PL), der Zellwand bestehend aus Peptidoglykan (PGN), und der äußeren Membran mit Lipopolysaccharides (LPS) in der äußeren Schicht. Die Biosynthese dieser Schichten ist durch gemeinsame Substrate eng miteinander verknüpft. Dieses Projekt zielt darauf ab, die regulatorischen Mechanismen der Zellhüll-Biosynthese zu verstehen, wobei der Schwerpunkt auf der LPS-Biosynthese liegt. In Vorarbeiten haben wir das membrangebundene Protein LapB als entscheidenden Anker identifiziert, der die initialen zytoplasmischen Enzyme der LPS-, PL- und PGN-Biosynthese zur Membran rekrutiert. Wir gehen davon aus, dass dieses Protein-Interaktionsnetzwerk dynamisch ist und auf Veränderungen im Status der Zellhülle reagiert. Unser Ziel ist es, alle Komponenten dieses zellulären Schaltwerks zu identifizieren und zu klären, ob und wie diese Interaktionen auf unterschiedliche Wachstumsbedingungen reagieren. Das Verständnis dieses Prozesses ist relevant, da sowohl ein Überschuss als auch ein Mangel an LPS-Molekülen schädliche Auswirkungen hat. Wir werden eine Reihe genetischer und biochemischer Methoden einsetzen, darunter das bakterielle Two-Hybrid-System, Proximity-Labeling, Pull-Down-Experimente und Microscale-Thermophorese. In Anbetracht der essenziellen Rolle der LPS-Biosynthese in vielen Gram-negativen Bakterien sind Enzyme, die an diesem Prozess beteiligt sind, attraktiv als Angriffspunkte für antimikrobielle Substanzen. In den letzten Jahren wurden verschiedene chemische Verbindungen und antimikrobielle Peptide entwickelt, die LPS-Biosyntheseenzyme hemmen. Allerdings sind die Verteidigungsstrategien von E. coli und anderen Bakterien auf derartige Behandlungen weitgehend unbekannt. In Vorarbeiten haben wir die Reaktion von E. coli und Pseudomonas aeruginosa auf Inhibitoren von LpxC, dem Schlüsselenzym der LPS-Biosynthese, das den ersten richtungsgebenden Schritt katalysiert, untersucht. Unterschiede in der Proteom-Antwort deuten darauf hin, dass die beiden Bakterien unterschiedliche Strategien zur Regulation der LPS-Biosynthese einsetzen. In E. coli inaktivieren LpxC-Inhibitoren nicht nur das Enzym, sondern stabilisieren es auch. Als Konsequenz wird die Biosynthese von Fettsäuren hochreguliert. Unser Ziel ist es, die Zusammenhänge in der LPS-Biosynthese besser zu verstehen, indem wir frühe, mittlere und späte Schritte in dem Prozess mit neuartigen antimikrobiellen Verbindungen hemmen. Um ein umfassendes Verständnis der bakteriellen Abwehrstrategien zu erlangen, werden wir sowohl das Proteom als auch das Transkriptom analysieren. Durch diese Arbeiten erwarten wir wertvolle Einblicke in das komplexe molekulare Wechselspiel innerhalb des LPS-Biosyntheseweges. Darüber hinaus werden die Untersuchungen die anfälligsten Schritte der LPS-Biosynthese identifizieren und somit wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung gezielter antimikrobieller Strategien liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen