Schaltbare Zuckermoleküle

Forschende kontrollieren Anhaftung von E. coli-Bakterien

Ein Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und der Goethe-Universität Frankfurt hat gemeinsam eine künstliche Oberfläche geschaffen, auf der die Anhaftung von E. coli-Bakterien gesteuert werden kann. Die nur etwa 4 nm dünne Schicht imitiert den Zuckermantel (Glycokalyx) von Zellen, an den Bakterien beispielsweise bei einer Infektion binden.

Rastertunnelmikroskopaufnahme von einer Kultur Escherichia Coli. (Bild: NIAID)

Dieses Andocken lässt sich nun durch Licht ein- und ausschalten. Damit sind die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nahe daran zu verstehen, wie Zucker (Kohlenhydrate) und bakterielle Infektionen zusammenhängen. Ihre Forschungsergebnisse zieren den Titel der neuen Ausgabe des Fachmagazins „Angewandte Chemie“.

Die Bindung von Zellen an andere Zellen oder an Oberflächen ist lebenswichtig für Organismen, beispielsweise für die Entwicklung von inneren Organen und von Geweben. Aber auch an Krankheit und Infektionen sind solche Mechanismen beteiligt. Die im Experiment eingesetzten E. coli-Bakterien können Harnwegsinfektionen, Hirnhautentzündungen, Sepsis und weitere schwerwiegende Erkrankungen auslösen. Um diese Krankheiten verstehen und behandeln zu können, müssen Forscherinnen und Forscher die molekularen Vorgänge entschlüsseln, die es bakteriellen Zellen ermöglichen, an gesunde Wirtszellen anzudocken.

Häufig geschieht dies über Proteine, die nach einem komplizierten „Pass-Prinzip“ (vereinfacht: „Schlüssel-Schloss-Prinzip“) mit Kohlenhydratstrukturen auf der Wirtszelloberfläche wechselwirken. Die Kieler und Frankfurter Studie zeigt nun erstmals, dass dafür die räumliche Ausrichtung der Kohlenhydratstrukturen entscheidend ist. In der natürlichen Glycokalyx, einer nur nanometerdünnen Mehrfachzucker-Schicht, die alle Zellen umgibt, sind die Verhältnisse allerdings noch zu komplex, um herauszufinden wie Proteine und Kohlenhydrate zueinanderfinden.

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Professorin Thisbe K. Lindhorst, Chemikerin an der Uni Kiel, baut mit ihrem Team im Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“ Moleküle, die, bestrahlt mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen, als biologische Schalter funktionieren. Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe um den Oberflächenspezialisten Professor Andreas Terfort (Uni Frankfurt) hat sie nun ein System hergestellt, mit dem die Ausrichtung der Zucker-Andockpunkte und damit die Bindung von E. coli-Bakterien kontrolliert werden kann.

Thisbe K. Lindhorst (Foto) und ihr Team kontrollieren die Anhaftung von E. coli-Bakterien durch schaltbare Zuckermoleküle. (Bild: Stefan Kolbe)

Dazu versahen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine extrem dünne Goldoberfläche mit einem genau definierten Zuckermantel, der an Azobenzol gekoppelt ist. Das ist ein Kohlenwasserstoff, der eine Stickstoffbrücke enthält, die lichtgesteuert wie ein Gelenk funktioniert. Darüber lassen sich nun die Bindungseigenschaften des Zuckermantels schalten: Bestrahlen die Forschenden ihr System mit Licht einer Wellenlänge von 365 nm, können sich erheblich weniger krankmachende Bakterienzellen an die künstliche Oberfläche anheften. Die Zuckermoleküle drehen sich dabei gewissermaßen von den Bakterien weg und können nicht mehr erkannt werden. Beim „Einschalten“ wiederum mit 450 nm langen Lichtwellen orientieren sich die Strukturen wieder derart, dass Bakterienzellen erneut andocken können. So lässt sich die Anhaftung von E. coli kontrollieren.

„Durch den Einsatz eines Schichtsystems auf einer festen Oberfläche in Kombination mit einem Photo-Gelenk lässt sich die komplexe Dynamik einer realen Glycokalyx auf die wesentlichen Prozesse reduzieren und so verstehen“, erklärt Terfort. „Dieser neue Ansatz sollte sich auch auf andere biologische Grenzflächensysteme übertragen lassen.“

Oberflächenspezialist Andreas Terfort von der Goethe Universität Frankfurt. (Bild: Larissa Zherlitsyna)

„Anhand unseres Modellsystems lassen sich Erkennungs- und Bindungseffekte der Glycokalyx sehr definiert und unter einem ganz neuartigen Blickwinkel untersuchen“, sagt Lindhorst. „Wenn wir lernen, die Glycokalyx in einem Zusammenhang von Gesundheit und Heilung zu beeinflussen, wird dies zu einer Revolution in der Medizinischen Chemie führen.“

Originalpublikation
Switching of bacterial adhesion to a glycosylated surface by reversible reorientation of the carbohydrate ligand. Theresa Weber, Vijayanand Chandrasekaran, Insa Stamer, Mikkel B. Thygesen, Andreas Terfort and Thisbe K. Lindhorst. Angew. Chem. 48/2014. DOI: 10.1002/ange.201409808 und 10.1002/anie.201409808 (Angew. Chem. Int. Ed.).

Kontakt:
Prof. Dr. Thisbe K. Lindhorst
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Otto Diels-Institut für Organische Chemie
E-Mail: tklind@oc.uni-kiel.de

Prof. Dr. Andreas Terfort
Goethe-Universität Frankfurt
E-Mail: aterfort@chemie.uni-frankfurt.de

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