Gramnegative Bakterien verursachen bei Pflanzen und Tieren eine Vielzahl von Infektionskrankheiten. Ausbrüche von Salmonellen- und E. coli-Infektionen machen aufgrund ihrer Schwere oft Schlagzeilen, und die Menschen müssen sowohl auf allopathische als auch auf natürliche Heilmittel zurückgreifen, was die Belastung des Gesundheitssystems erhöht.
Während Antibiotika eine wirksame Lösung gegen bakterielle Infektionen darstellen, hat das zunehmende Auftreten antibiotikaresistenter Bakterien Forscher dazu veranlasst, andere mögliche Behandlungen gegen diese Infektionen zu finden. Angesichts des technologischen Fortschritts und der modernen Medizin untersuchen Forscher die Möglichkeit, die Pathogenität der Bakterien auf molekularer Ebene zu stören, indem sie in molekulare Prozesse sowohl auf Gen- als auch auf Proteinebene eingreifen.
Gramnegative Bakterien, die für ihre Infektionsfähigkeit bekannt sind, produzieren im extrazellulären und/oder periplasmatischen Raum osmoregulierte periplasmatische Glucane (OPGs) – langkettige Kohlenhydrate aus mehreren Glukoseeinheiten. Ursprünglich wurde angenommen, dass OPGs Nebenprodukte seien, die bei niedrigen Konzentrationen gelöster Stoffe entstehen, doch neuere Berichte bestätigen, dass sie für Pathogenität, Symbiose, Zelladhäsion und Signalübertragung von entscheidender Bedeutung sind.
Allerdings sind die Enzyme, die an der Synthese, Regulierung und dem Abbau von OPGs beteiligt sind, nicht vollständig bekannt. Die genetische Analyse ergab, dass die Entfernung der opgH- und/oder opgG-Gene, die teilweise für die OPG-Synthese verantwortlich sind, dazu führt, dass Bakterien ihre Infektionsfähigkeit verlieren, was auf starke mögliche Zusammenhänge dieser Gene mit der bakteriellen Pathogenität schließen lässt.
Obwohl die Struktur von OpgG aus E. coli (EcOpgG) aufgeklärt wurde, bleibt der Wirkungsmechanismus von OpgG und OpgD aus E. coli (EcOpgG bzw. EcOpgD) unklar. Das Verständnis der an der OPG-Synthese beteiligten Enzyme und der ihrer Funktion zugrunde liegenden Mechanismen könnte uns wichtige Erkenntnisse über die Pathogenität gramnegativer Bakterien liefern und es uns ermöglichen, wirksamere Methoden zur Bekämpfung bakterieller Infektionen zu entwickeln.
Um diese Wissenslücke zu schließen, haben Herr Sei Motouchi von der Tokyo University of Science, Dr. Kaito Kobayashi vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Associate, Associate Professor Hiroyuki Nakai von der Niigata University und Professor Masahiro Nakajima von der Die Tokyo University of Science führte strukturelle und funktionelle Analysen von EcOpgD und EcOpgG durch. Die Studie wurde veröffentlicht in Kommunikationsbiologie.
Professor Nakajima teilt die Motivation hinter dieser Studie mit und sagt: „Glykane sind wichtige biologische Makromoleküle, die in lebenden Organismen eine Vielzahl von Rollen spielen, einschließlich Pathogenität und Symbiose. Ihre Struktur ist sehr vielfältig und komplex, und daher gibt es viele Arten von Enzymen, die das können.“ synthetisieren und abbauen. Allerdings kennen wir Menschen nur einen kleinen Bruchteil davon.“
Die Forscher untersuchten die Funktionen OPG-verwandter Gene im Modellorganismus E. coli. Funktionsanalysen ergaben, dass E. coli OpgD (EcOpgD) eine Endo-β-1,2-Glucanase war, die β-1,2-Glucane spezifisch abbaute. Es hatte auch ähnliche kinetische Eigenschaften wie allgemeine Glycosidhydrolasen (GH), was seine Identität als β-1,2-Glucanase weiter bestätigt.
Die Strukturanalyse mittels Kristallographie ergab ein hohes Maß an Ähnlichkeit zwischen den Strukturen von EcOpgG und EcOpgD. Allerdings hatten die beiden Enzyme bemerkenswert unterschiedliche Aktivitäten. Bei weiteren Untersuchungen stellten die Forscher fest, dass einige Aminosäuren, die den Reaktionsweg bilden, der als „Loop A“ bezeichnet wird, für die Enzymaktivität entscheidend sind und die Reaktionsgeschwindigkeit regulieren.
EcOpgG und EcOpgD unterschieden sich in ihren katalytischen Funktionen, möglicherweise aufgrund der unterschiedlichen Aminosäuren in der Loop-A-Region. Die LoopA-Region diversifiziert sich innerhalb dieser Gruppe von Enzymen, was zu funktioneller Diversität führen kann. Dennoch ist die Basis des katalytischen Zentrums in dieser Gruppe von Enzymen gleich. Dieser gemeinsame Punkt wird Wissenschaftlern dabei helfen, Therapien zu entwickeln, die möglicherweise die OPG-Synthese stören und die Infektionsfähigkeit von Bakterien beeinträchtigen könnten.
Darüber hinaus gehörten die beiden Enzyme zwar zur gleichen GH-Familie, ihre Struktur stimmte jedoch mit keinem der vorhandenen GH-Enzyme überein. Somit bestätigten die Autoren, dass sie zu einer neuartigen GH-Familie gehörten, nämlich GH186. Diese Informationen eröffnen Möglichkeiten für die Erforschung von Therapien, die auf GH186-Proteine abzielen, um das Fortschreiten bakterieller Infektionen zu stoppen.
Professor Masahiro erklärt abschließend die langfristigen Anwendungen der Studie: „Obwohl bekannt war, dass einige gramnegative Pflanzenpathogene OPGs zur Pathogenität synthetisieren, waren die meisten Schlüsselenzyme für ihre Synthese noch nicht identifiziert, was die Entwicklung von Agrochemikalien-Targeting verhinderte.“ OPGs.“
„Wir haben eine Familie von Enzymen (GH186) identifiziert, die an der direkten Synthese von OPGs beteiligt sind, und ihre detaillierten Funktionen aufgeklärt, was uns neue Ziele (GH186) zur Hemmung von Krankheitserregern präsentiert und eine solide Grundlage für die ‚strukturbasierte Pestizidentdeckung‘ bietet.“ „.
Die Ergebnisse dieser Studie bilden eine solide Grundlage für die weitere Untersuchung von OPGs und verwandten Genen und könnten eine neue Ära des Krankheitsmanagements einleiten.
Mehr Informationen:
Sei Motouchi et al, Identifizierung enzymatischer Funktionen osmoregulierter periplasmatischer Glucan-Biosyntheseproteine aus Escherichia coli enthüllt eine neue Glycosidhydrolase-Familie, Kommunikationsbiologie (2023). DOI: 10.1038/s42003-023-05336-6