Forscher untersuchen systematisch die Wirksamkeit antimikrobieller CRISPR-Wirkstoffe

Das antimikrobielle Potenzial von CRISPR-Cas-Systemen ist vielversprechend, doch wie man CRISPR-Nukleasen am besten entwirft oder implementiert, ist noch wenig bekannt. Ein internationales Team unter der Leitung des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) in Würzburg hat diese Wissenslücke nun geschlossen.

Die Forscher haben die erste systematische Untersuchung antimikrobieller CRISPR-Wirkstoffe anhand von Fallstudien mit multiresistenten und hypervirulenten Bakterien durchgeführt und dabei große Unterschiede in der Wirksamkeit aufgedeckt, die durch Hochdurchsatz-Screening und maschinelles Lernen vorhergesagt werden konnten. Ihre Erkenntnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Nukleinsäureforschung.

Die Entdeckung antimikrobieller Verbindungen wie herkömmlicher Antibiotika hat die Medizin verändert und ermöglicht die Behandlung von Infektionen, die einst als unbehandelbar galten. Allerdings hat sich die Entwicklungspipeline für neue Wirkstoffe verlangsamt, während der unsachgemäße Einsatz vorhandener Antibiotika die Entstehung von Antibiotikaresistenzen vorangetrieben hat. Folglich besteht ein wachsender Bedarf an neuen Mitteln zur Ausrottung von Krankheitserregern.

CRISPR-Cas-Systeme, adaptive Immunmechanismen, die Bakterien zur Abwehr einer Virusinvasion einsetzen, bieten eine einzigartige Lösung durch ihre Fähigkeit, Mikroben allein auf der Grundlage genetischer Sequenzen selektiv zu eliminieren. Bisher fehlten jedoch systematische Studien zur Bewertung der Wirksamkeit dieser CRISPR-Antimikrobiotika – insbesondere über verschiedene Nukleasen, Zielorte und Bakterienstämme hinweg.

Diese Lücke hat ein internationales Team unter der Leitung des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI), einem Standort des Braunschweiger Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Kooperation mit der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), geschlossen führte nun die erste umfassende Befragung dieser neuartigen Agenten durch. Ihre Forschung konzentriert sich auf Klebsiella pneumoniae, ein Bakterium, das für seinen Zusammenhang mit Antibiotikaresistenzen berüchtigt ist.

„Klebsiella pneumoniae bietet eine besonders überzeugende Fallstudie, da es zahlreiche Stämme mit unterschiedlichen Virulenz- und Resistenzeigenschaften umfasst“, sagt Chase Beisel, Leiter der Abteilung für synthetische RNA-Biologie am HIRI und Professor an der medizinischen Fakultät der JMU. Er leitete die internationale Studie in Zusammenarbeit mit Forschern des Institut Pasteur in Paris, Frankreich, der Universität Tel Aviv in Israel, des HZI und der University of Toronto in Kanada.

Das Team kombinierte die für die Durchführung einer Studie dieser Größenordnung erforderlichen Fachkenntnisse in den Bereichen CRISPR-Technologien, Klebsiella-Bakterien, Bakteriophagenabgabe, Hochdurchsatz-Screenings und maschinelles Lernen.

Eine andere Sorte, (manchmal) eine andere Wirkung

CRISPR-Cas-Systeme nutzen einen ausgeklügelten Abwehrmechanismus: Eine CRISPR-Ribonukleinsäure (RNA) hilft dabei, Regionen eines fremden Genoms, wie DNA oder RNA, für eine gezielte Spaltung aufzuspüren. Anschließend schneidet die CRISPR-assoziierte (Cas) Nuklease ihr Ziel wie eine molekulare Schere.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass verschiedene CRISPR-Nukleasen sehr unterschiedliche Wirksamkeiten aufweisen. In ihren Experimenten zeigten Nukleasen, die auf DNA abzielten, eine überlegene Leistung im Vergleich zu Nukleasen, die sich auf RNA konzentrierten.

Darüber hinaus zeigten verschiedene Arten von K. pneumoniae Unterschiede in ihrer Empfindlichkeit gegenüber einem antimikrobiellen CRISPR-Mittel, obwohl identische Nukleasen zum Angriff auf identische Stellen eingesetzt wurden. Elena Vialetto, die Erstautorin der Studie und ehemalige Doktorandin. Student im Beisel-Labor erklärt: „Die unterschiedliche antimikrobielle Aktivität zwischen verwandten Bakterien war angesichts der Verwendung derselben CRISPR-Konstrukte überraschend. Wir führten diesen Unterschied auf die Faltung der CRISPR-RNAs zurück, die das DNA-Targeting steuern.“

Beisel fügt hinzu: „Diese Studie ist die erste, die zeigt, dass die antibakterielle Wirksamkeit sogar zwischen verwandten Stämmen variieren kann.“

Um Merkmale zu untersuchen, die das Targeting verschiedener Stämme verbessern könnten, führten die Forscher ein genomweites Screening bei verschiedenen K. pneumoniae-Typen durch. Diese Bemühungen führten zu Designprinzipien und Parametern für mögliche antimikrobielle CRISPR-Wirkstoffe und erleichterten das Training eines Algorithmus zur Vorhersage ihrer Effizienz.

Phagen als Trojanische Pferde

Das Team wagte sich auch an die nächste Stufe der Wirkstoffentwicklung, nämlich die Abgabe. Als Vehikel für die antimikrobiellen CRISPR-Wirkstoffe verwendeten die Forscher Bakteriophagen, die sie mit modifizierten Schwanzfasern ausstatteten, um die Reichweite der CRISPR-Fracht zu erhöhen.

Diese Studie legt den Grundstein für die Weiterentwicklung von CRISPR als Mittel zur Vorbeugung oder Behandlung antibiotikaresistenter Infektionen.

„Wir hoffen, dass diese Arbeit den Einsatz von CRISPR als maßgeschneidertes antimikrobielles Mittel im laufenden Kampf gegen Antibiotikaresistenzen stärker sichtbar machen wird“, schließt Beisel.