Maßgeschneiderte Kohlenhydrate an bakteriellen S-Schichtproteinen als molekulare Steckbretter – Neue Wege für Bio-Stimulation und Bio-Targeting.
Abstract
Kohlenhydrate sind entscheidend für eine Vielzahl biologischer Prozesse. Zellen verwenden sie zur Kommunikation, Bakterien und Viren verwenden sie zur Auslösung von Infektionen und Krebszellen verwenden sie zu ihrer Verbreitung im Körper. Kohlenhydrat-vermittelte Phänomene können häufig unter Biostimulation und Biotargeting zusammengefasst werden. Dabei sind die Kohlenhydrate oft an Proteine gebunden. Demnach können maßgeschneiderte Kohlenhydrate an Proteinen, die durch die junge Technologie des Kohlenhydrat-Engineering hervorgebracht werden, maßgeblich biologische Systeme beeinflussen und kontrollieren. Das Maßschneidern von Glykoproteinen in Bakterien ist jüngsten Erkenntnissen zufolge besonders vielversprechend, da Bakterien prozeßökonomisch arbeiten und in der Lage sind, einheitliche Glykoproteine zu erzeugen. Obwohl die Strategie des cell surface display von Proteinen in der grundlagen- und anwendungs¬orientierten Forschung schon lange geschätzt wird, wurde sie bisher noch nicht für Kohlenhydrate umgesetzt. Im vorliegenden Projekt soll in einem biomimetischen Ansatz bakterielles Kohlenhydrat-Engineering mit der multivalenten Präsentation von maßgeschneiderten Kohlenhydraten an Zellober¬flächen kombiniert werden. Basis ist das S-Schichtglykoprotein des Gram-positiven Bakteriums Paenibacillus alvei CCM 2051T, das durch Selbstorganisation eine 2D kristalline Matrix mit nano¬meterskaliger Genauigkeit ausbildet, wobei die Kohlenhydrate zur Umgebung hin orientiert sind. Die Ähnlichkeit der Biosyntheseabläufe verschiedener bakterieller Kohlenhydrate ist die Basis für die Kombinierbarkeit einzelner Module und somit für das Maßschneidern von S Schichtglykopro¬teinen. Zur Charakterisierung ausgewählter Schlüsselmodule der P. alvei S-Schichtglykosylierung und zur Testung unserer Hypothese, beinhalten unsere Forschungsziele. A) Analyse der nativen Tyrosin-O Glykosylierungsstellen des S-Schichtproteins SpaA. B) Erste Untersuchungen zu Kettenlängen¬regulation, Export und Oligosaccharid:Protein-Transfer. C) Ausstattung des S-Schichtproteins mit diversen fremden Kohlenhydraten als proof of principle, wobei dafür Mutanten mit unterschiedlichen Defekten in der S-Schichtproteinglykosylierung verwendet werden. D) Ausweitung des Glykosylie¬rungspotentials des S-Schichtproteins SpaA durch den Austausch der nativen O Glykosylierungsstel¬le(n) durch bakterielle N Glykosylierungsstelle(n), die dann durch die dazugehörige Glykosylierungs¬maschinerie erkannt wird. Das zu etablierende System erlaubt die gezielte Kontrolle über Position, Anzahl und Art der prä¬sentierten Kohlenhydrate. Es stellt einzigartige Rahmenbedingungen für Studien zu Bio-stimulation und Bio-targeting durch Kohlenhydrate in einem dynamischen, biomimetischen Umfeld dar, und kann bedingt durch Multivalenz, zur Steigerung von Affinität und Spezifität zwischen Kohlenhydraten und ihren Liganden beitragen. Das Projekt folgt dem derzeitigen Trend zur nanometerskaligen Organisa¬tion biologischer Funktionen für die Entwicklung neuer Konzepte für life und non-life sciences und zeigt zukünftige Möglichkeiten für die Translation der glykobiologischen Forschung in die Bereiche der Humanmedizin und des Design neuartiger Biomaterialien auf.
S-Schicht Glykoprotein Selbstorganisation Proteinglykosilierungs-Engineering Zelloberflächenpräsentation nanostrukturiertes Biomaterial
Publikationen
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Christina Schäffer
Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Christina Schäffer
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Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Paul Messner
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Partner