Wie koppeln Bakterien an gesunde Zellen an?

Forscher entwickeln künstliche, lichtgesteuerte Oberfläche / Publikation in Angewandter Chemie

Veröffentlicht am: Dienstag, 02. Dezember 2014, 12:52 Uhr (355)

FRANKFURT/KIEL. Wie gelingt es E. coli-Bakterien, an gesunde Wirtszellen im Körper anzukoppeln? Häufig geschieht dies über Proteine, die an den Zuckermantel der Zellen binden. Ein Forschungsteam der Goethe-Universität Frankfurt und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel hat einen wichtigen Schritt gemacht, die Zusammenhänge zu verstehen. Ihre Forschungsergebnisse zieren den Titel der neuen Ausgabe des renommierten Fachmagazins „Angewandte Chemie“.

Häufig geschieht die Bindung über Proteine, die nach einem komplizierten „Pass-Prinzip“ (vereinfacht: „Schlüssel-Schloss-Prinzip“) mit Kohlenhydratstrukturen auf der Wirtszelloberfläche wechselwirken. Die Studie zeigt nun erstmals, dass dafür die räumliche Ausrichtung der Kohlenhydratstrukturen entscheidend ist.

In der natürlichen Glycokalyx, einer nur nanometerdünnen Mehrfachzucker-Schicht, die alle Zellen umgibt, sind die Verhältnisse für die experimentelle Untersuchung zu komplex. Deshalb haben die Wissenschaftler eine künstliche Oberfläche geschaffen, auf der die Anhaftung von E. coli-Bakterien gesteuert werden kann. Die nur etwa vier Nanometer dünne Schicht imitiert die Glycokalyx von Zellen, an die Bakterien beispielsweise bei einer Infektion binden.

„Anhand unseres Modellsystems lassen sich Erkennungs- und Bindungseffekte der Glycokalyx sehr definiert und unter einem ganz neuartigen Blickwinkel untersuchen“, sagt Prof. Thisbe K. Lindhorst, Chemikerin an der Uni Kiel. „Wenn wir lernen, die Glycokalyx in einem Zusammenhang von Gesundheit und Heilung zu beeinflussen, wird dies zu einer Revolution in der Medizinischen Chemie führen.“

Lindhorst baute mit ihrem Team im Sonderforschungsbereich „Funktion durch Schalten“ Moleküle, die, bestrahlt mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen, als biologische Schalter funktionieren. Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe um den Oberflächenspezialisten Prof. Andreas Terfort (Uni Frankfurt) stellte sie ein System her, mit dem die Ausrichtung der Zucker-Andockpunkte und damit die Bindung von E. coli-Bakterien kontrolliert werden kann.

Die Wissenschaftler versahen eine extrem dünne Goldoberfläche mit einem genau definierten Zuckermantel, der an Azobenzol gekoppelt ist. Dieser Kohlenwasserstoff enthält eine Stickstoffbrücke, die lichtgesteuert wie ein Gelenk funktioniert. Darüber lassen sich nun die Bindungseigenschaften des Zuckermantels schalten: Bestrahlen die Forscher ihr System mit Licht einer Wellenlänge von 365 Nanometern, können sich erheblich weniger krankmachende Bakterienzellen an die künstliche Oberfläche anheften. Die Zuckermoleküle drehen sich dabei gewissermaßen von den Bakterien weg und können nicht mehr erkannt werden. Beim „Einschalten“ wiederum mit 450 Nanometer langen Lichtwellen orientieren sich die Strukturen wieder derart, dass Bakterienzellen erneut andocken können. So lässt sich die Anhaftung von E. coli kontrollieren.

„Durch den Einsatz eines Schichtsystems auf einer festen Oberfläche in Kombination mit einem Photo-Gelenk lässt sich die komplexe Dynamik einer realen Glycokalyx auf die wesentlichen Prozesse reduzieren und so verstehen“, erklärt Terfort. „Dieser neue Ansatz sollte sich auch auf andere biologische Grenzflächensysteme übertragen lassen.“

Publikation: Switching of bacterial adhesion to a glycosylated surface by reversible reorientation of the carbohydrate ligand. Theresa Weber, Vijayanand Chandrasekaran, Insa Stamer, Mikkel B. Thygesen, Andreas Terfort and Thisbe K. Lindhorst. Angew. Chem. 48/2014. DOI: 10.1002/ange.201409808 und 10.1002/anie.201409808 (Angew. Chem. Int. Ed.)

Fotos und Abbildungen zum Download hier (zip).

Bildtext: Links: E. coli-Bakterien können über das Protein FimH an den Zuckermolekülen der künstlichen Glycokalix andocken. Rechts: Bei Bestrahlung mit Licht einer Wellenlänge von 365 Nanometern knicken die Zuckermoleküle auf der Oberfläche weg und können von den Proteinen nicht erkannt werden. Die Bakterien können dann nicht mehr an die „Wirtszelle“ andocken.

Copyright: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduced with permission.

Bildtext: Kontrollierte Bindung: Die Anhaftung von Bakterien an Zuckermolekülen auf dem Glycokalyx-Modell kann durch Licht umkehrbar gesteuert werden.

Copyright: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduced with permission.

Bildtext: Rastertunnelmikroskopaufnahme von einer Kultur Escherichia Coli

Quelle: NIAID

Informationen: Prof. Dr. Andreas Terfort, Institut für Anorganische und Analytische Chemie, Campus Riedberg, Tel.: (069) 798- 29180, aterfort@chemie.uni-frankfurt.de.