Modell zeigt, wie Antikörper wie ein spielendes Kind durch Oberflächen von Krankheitserregern navigieren

Eine neue Studie zeigt, wie Antikörper die Antigene auswählen, an die sie binden, während sie auf der Oberfläche von Krankheitserregern wie Coronaviren navigieren. Forscher des KTH Royal Institute of Technology und des Karolinska Institutet haben ein Modell erstellt, das darauf hindeutet, dass die Wanderung dieser Krankheitserreger den zufälligen Bewegungen eines Kindes ähnelt, das auf einem mit Trittsteinen beladenen Bach spielt.

Ian Hoffecker, Forscher am KTH Royal Institute of Technology in Stockholm, sagt, dass das Modell neue Wege aufzeigt, um die Evolution von Viren und Immunsystemen zu betrachten, und dass die neue Studie Erkenntnisse liefert, die für die Impfstoffentwicklung nützlich sein könnten.

Antikörper werden oft als Y-förmige Proteine ​​betrachtet. Jüngste Studien haben jedoch gezeigt, dass man sich diese vielleicht genauer vorstellen kann, wenn man das Bild auf den Kopf stellt und Antikörper als wandelnde Stockfiguren betrachtet, die auf Antigenen treten. Diese beiden charakteristischen „Y“-Zweige fungieren als eine Art Bein, sagt Hoffecker.

Nancy Sinatras Hitaufnahme von 1966 paraphrasierend, sagt er: „Diese Antikörper sind zum Laufen gemacht.“

Diese pirschenden Pathogenjäger markieren ihre Beute, indem sie ihre „Füße“ auf Antigene stellen – kleine Moleküle, die wie Trittsteine ​​in verschiedenen Mustern auf den Oberflächen von Viren verstreut sind. Sie stützen sich auf die sogenannte Multivalenz – oder darauf, mit beiden „Y“-Zweigen Fuß zu fassen, typischerweise auf zwei separaten Antigenen –, die es ihnen ermöglichen, so stark wie möglich an ihre Ziele zu binden. Einmal an Ort und Stelle, nehmen Antikörper an einer Reihe von Wechselwirkungen mit anderen Signalproteinen teil, um den Krankheitserreger zu neutralisieren oder abzutöten.

Anhand eines nanofabrizierten Modells des Antigenmusters eines Krankheitserregers wollten die Forscher bestimmen, wie dieses Verhalten von Krankheitserregeroberflächen beeinflusst wird, sagt Hoffecker. „Was ist, wenn Antigene wirklich nah beieinander liegen oder wenn sie weit voneinander entfernt sind? Strecken sich die Moleküle der Antikörper aus, stauchen sie sich zusammen?“

Um dies herauszufinden, sagte Björn Högberg von der Abteilung für Biomaterialforschung des Karolinska Institutet, dass das Team ein Krankheitserreger- und Antigenszenario mit einer Methode namens DNA-Origami simulierte, bei der sich DNA selbst zu Nanostrukturen mit einer programmierbaren Geometrie zusammenfügt, die es ihnen ermöglicht, den Abstand zwischen Antigenen zu kontrollieren .

„Mit diesem Tool konnten wir untersuchen, wie sich dieser Abstand zwischen zwei Antigenen auf die Bindungsstärke auswirkt“, sagt Högberg. „In unserer neuen Arbeit haben wir diese Daten genommen und sie in ein Modell gesteckt, mit dem wir interessante Fragen darüber stellen können, wie sich Antikörper in komplexeren Umgebungen verhalten – ohne zu weit von der Realität abzuweichen.“

Laut Hoffecker zeigt das Modell, dass sich Antikörper nicht viel anders verhalten als andere bekannte zweibeinige Organismen – nämlich Menschen.

„Der Prozess könnte mit einem Kind verglichen werden, das auf einem Fluss spielt, der mit Trittsteinen beladen ist, die gerade groß genug sind, um einen einzelnen Fuß aufzunehmen“, sagt Hoffecker. „Um an Ort und Stelle zu stehen, müsste das Kind also über zwei Felsen klettern oder auf einem Fuß balancieren.“

Die Antikörper im Modell schienen Antigene zu bevorzugen, die näher beieinander liegen und leichter zu erkennen sind. Und wenn Antigene zu weit voneinander entfernt sind, haben sie eine statistische Tendenz, in einen Bereich zu wandern, in dem sie näher beieinander stehen, sagt er.

Solche Beobachtungen werfen die Frage auf, ob die Flexibilität und Struktur von Antikörpern von ihren Antagonisten, den Krankheitserregern, beeinflusst wird. „Wir stellen die Frage, ist das relevant für die Evolution oder Co-Evolution, wo es dieses ständige Wettrüsten zwischen dem Immunsystem und Krankheitserregern gibt, und dieses Kontrollsystem, das im Grunde sagt, wie sich Antikörper bewegen und wohin sie gehen?“ er sagt.

Laut Hoffecker besteht der nächste Schritt darin, zu beobachten, wie sich diese Eigenschaft von Antikörpern in natürlichen Systemen manifestiert, und diese Erkenntnisse in rational entworfene Impfstoffe zu integrieren, die den Faktor der räumlichen Organisation des Antigens berücksichtigen.

Die Studie wurde veröffentlicht in Naturinformatik.