| Vorbemerkung: Entgegen unser Gepflogenheit berichten wir hier aus dem vorklinischen Forschungssektor. Der nach Monaten der Erstbesiedlung bisher weitestgehend als schicksalhaft angesehene Übergang von Pseudomonas Aeruginosa (PA) ins mukoide Stadium lässt sich vielleicht doch rückgängig machen. Das legt die im untenstehenden Artikel erwähnte Arbeit jedenfalls nahe. Der Titel dieses Artikels ist der Tatsache gewidmet, dass das Pyocyanin, das gleichzeitig so wichtig für die Biofilmbildung des Pseudomonas Aeruginosa (PA) ist, auch für seine charakteristische blaugrüne Färbung verantwortlich ist. |
Quelle / Übersetzung ohne Gewähr
Ein am Computer entwickeltes Enzym kann helfen, P. aeruginosa in Biofilmen abzutöten
Eine Studie zeigt, dass ein Enzym, das mit Hilfe eines Computerdesigns hergestellt wurde, in Kombination mit dem Antibiotikum Tobramycin effizient Pseudomonas aeruginosa abtötet, einen Erreger, der häufig die Lungen von Patienten mit Mukoviszidose (CF) infiziert.
Der Wirkstoff neutralisiert einen Metaboliten namens Pyocyanin, der von P. aeruginosa benötigt wird, um sich an Oberflächen anzuheften und Biofilme zu bilden.
Die Ergebnisse der Studie „Computationally designed pyocyanin demethylase acts synergistically with tobramycin to kill recalcitrant Pseudomonas aeruginosa biofilms“ wurden in der Zeitschrift PNAS veröffentlicht.
P. aeruginosa ist dafür bekannt, Biofilme zu bilden, indem sich diese Bakterien zusammenballen und an eine Oberfläche anheften. Ein Weg, wie sie dies tun, ist die Bildung von Pyocyanin, einem Molekül, das Zell-zu-Zell-Interaktionen fördert, um die Lebensfähigkeit der Bakterien innerhalb des Biofilms zu verbessern und sie besser vor Antibiotika zu schützen. Da sie in engem Kontakt zueinander stehen, können diese Bakterien auch Gene austauschen, die zur Antibiotikaresistenz beitragen.
Ein Team unter der Leitung von Dianne Newman, PhD, einer Professorin für Biologie am California Institute of Technology, hatte zuvor ein Enzym namens PodA entdeckt, das Pyocyanin abbauen und die Bildung von Biofilmen verhindern kann. Allerdings konnte dieses Enzym nur in geringen Mengen produziert werden und es mangelte ihm an Stabilität.
In Zusammenarbeit mit Sarel Fleishman, PhD, einem Assistenzprofessor am Weizmann Institute of Science in Israel, der sich auf computergestütztes Proteindesign spezialisiert hat, machte sich das Team daran, die Stabilität und Produktion von PodA zu erhöhen, es unter bestimmten physiologischen Bedingungen zu testen und herauszufinden, ob es die Wirksamkeit von Tobramycin – einem Antibiotikum, das häufig zur Behandlung chronischer P. aeruginosa-Infektionen eingesetzt wird – verbessern könnte.
Aufgrund der einzigartigen Struktur von PodA mussten die Forscher zunächst verstehen, wie man seine Stabilität verbessern kann. PodA ist ein Trimer, was bedeutet, dass es aus drei identischen Einheiten besteht, die zusammen gruppiert sind, „wie zusammengeschnürte Fässer“, so Fleishman in einer Pressemitteilung.
Durch die Analyse der atomaren Struktur des Enzyms identifizierten sie Kontaktbereiche zwischen den Einheiten, die angepasst werden konnten. Mit Hilfe eines Softwareprogramms namens AffiLib konnten sie dann Mutationen vorhersagen, die die Struktur des Enzyms am besten verändern und seine Stabilität verbessern würden.
Von den zehn entworfenen Enzymen wurden acht in überdurchschnittlichen Mengen produziert, was zeigt, dass eine Verbesserung der Verpackung dieser „Fässer“ auch die Ausbeute erhöhen könnte. Eines dieser Enzyme, PodA10, schien besonders stabil zu sein und wurde für weitere Studien ausgewählt.
In einer nächsten Reihe von Experimenten bestätigten die Forscher, dass PodA10 unter Bedingungen funktionieren kann, die denen in der Lunge von CF-Patienten physiologisch ähnlich sind.
PodA10 wurde dann zusammen mit Tobramycin in künstlichen Biofilmen getestet, die die Art von Biofilmen simulieren, die bei menschlichen chronischen Infektionen auftreten. Nach der Behandlung wurde ein Marker für den Zelltod, Propidiumjodid, hinzugefügt. Die Ergebnisse zeigten, dass Bakterien, die mit Tobramycin und PodA10 behandelt wurden, eine höhere Propidiumjodid-Färbung aufwiesen als solche, die entweder mit PodA10 oder Tobramycin allein behandelt wurden, was auf eine größere bakterientötende Aktivität hindeutet.
Das Schutzmolekül Pyocyanin wird von P. aeruginosa bei Sauerstoffmangel vor allem in den inneren Schichten von Biofilmen gebildet. Interessanterweise ist es in den äußeren Schichten von Biofilmen, in denen Sauerstoff vorhanden ist, toxisch.
Das Team fand heraus, dass die Zugabe von PodA10 allein Pyocyanin von den Stellen entfernen kann, an denen Sauerstoff vorhanden ist, was zu einer höheren bakteriellen Stoffwechselaktivität führt. Frühere Studien haben gezeigt, dass eine erhöhte Stoffwechselaktivität P. aeruginosa anfälliger für Tobramycin machen kann. Ebenso wurde beobachtet, dass PodA in Gegenwart von Sauerstoff P. aeruginosa für eine Tobramycin-Behandlung sensibilisiert.
„Unsere Ergebnisse, die eine Verstärkung der synergistischen Abtötung durch ein entworfenes PodA und Tobramycin zeigen, bieten eine weitere Ermutigung und die Möglichkeit, das Potenzial von PodA als biologisches Therapeutikum zur Behandlung chronischer P. aeruginosa-Infektionen zu erforschen“, schreiben die Forscher.
„Zukünftige Experimente werden die Untersuchung der Effekte von PodA10 und Tobramycin in Tiermodellen beinhalten, um die Behandlungsergebnisse zu bestimmen.“
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