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Die Analyse von Strukturen

Peptide - die Waffe gegen Bakterien

Infektionen durch Bakterien, wie zum Beispiel bei einer Blutvergiftung (Sepsis), führen häufig auch zu Entzündungen. Der Physiker Professor Thomas Gutsmann untersucht mit seiner Arbeitsgruppe am Forschungszentrum Borstel Membranstrukturen und ihre Interaktion mit Proteinen, um Peptide gegen Bakterien zu entwickeln. Eines ihrer Peptide wird bereits für eine klinische Anwendung getestet.

Der Physiker leitet die Laborgruppe Biophysik am Forschungszentrum Borstel. Die grundlegende Philosophie der Arbeitsgruppe ist die konsequente interdisziplinäre Verbindung zwischen Biologie, Chemie und Physik. „Wir wollen diese großen Bereiche der Naturwissenschaft zusammenbringen“, so Gutsmann. „Dabei gehen wir immer von einer medizinischen Fragestellung aus und versuchen dann, diese mit Hilfe von biophysikalischen Methoden zu untersuchen, um so das biologische Geschehen abbilden zu können.“ Im Mittelpunkt ihrer Forschung stehen die Struktur, Funktion und Aktivität bakterieller Zellmembranen und daraus freigesetzte bakterielle Pathogenitätsfaktoren. Diese Informationen sind wichtig, um zu verstehen, wie Membranen mit antibakteriellen Peptiden interagieren. Diese werden von der menschlichen Zelle zur Abwehr gegen Erreger selbst produziert, können aber auch künstlich hergestellt werden. Sie spielen bei Infektionen und Entzündungen eine große Rolle.


Thomas Gutsmann
ist seit Februar 2010 Clusterprofessor für Biophysik am Forschungszentrum Borstel. In der Abteilung Molekulare Infektiologie erforscht der Physiker, wie Lipidmembranen aufgebaut sind, wie sie funktionieren und mit Proteinen und Peptide interagieren.

Thomas Gutsmann

Ein Mittel gegen Sepsis

Zusammen mit Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern aus den Fachbereichen Biologie, Chemie und Physik entwickelt Gutsmann synthetische antimikrobielle Peptide und testet, zunächst in Zellkulturmodellen, später auch in Mausmodellen, ihre Wirksamkeit gegen Mikroorganismen. Als Vorbild dient die Struktur von natürlich vorkommenden Peptiden. „Unser Ziel ist es, den Mechanismus zu verstehen und die Peptide dann so weiter zu entwickeln, dass sie später einmal klinisch eingesetzt werden können“, so Gutsmann.

Ein mögliches Einsatzgebiet wäre die Behandlung einer Blutvergiftung (Sepsis). Wenn Bakterien in Wunden eindringen, werden durch den Zerfall der Bakterienmembranen Pathogenitätsfaktoren (Endotoxine) wie Lipopolysaccharide (LPS) Gram-negativer Bakterien frei. Diese können durch verschiedene Mechanismen entstehen: bei der Teilung der Bakterien selbst, durch die Immunabwehr des Körpers und die Zerstörung der Zellen, aber auch bei der Behandlung durch Antibiotika. Diese schädlichen Faktoren gelangen ins Blut, breiten sich über die Blutbahn im Organismus aus und verursachen eine Sepsis.

Ein Peptid, das die Laborgruppe um den Physiker bereits entwickelt hat, LPep19-2.5, sieht sehr vielversprechend für eine klinische Anwendung aus. In Zellkulturexperimenten und im Mausmodell hat sich gezeigt, dass das Peptid bakterielle Endotoxine neutralisieren kann und vor einem septischen Schock schützt. In weiteren Tests muss jetzt untersucht werden, ob sich diese Ergebnisse auch auf den Menschen übertragen lassen.

Resistente Erreger

Eine weitere Fragestellung, die die Laborgruppe um Gutsmann beschäftigt, sind Resistenzen. „Wir wollen herausfinden, warum manche Bakterien resistenter gegenüber natürlich vorkommenden oder synthetischen Antibiotika sind als andere“, erklärt der Wissenschaftler. Auch hierfür sei die Membranstruktur verantwortlich, wie Untersuchungen an verschiedenen Bakterien ergeben haben. So führe eine veränderte Zusammensetzung der Zellmembran bei diesen Bakterien dazu, dass sie unempfindlicher gegenüber antimikrobiellen Peptiden wird. Dieses Wissen über die Zusammensetzung der Membranen nutzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, um synthetische Peptide mit besserer Wirkung herzustellen.

Doch die Entwicklung von geeigneten Peptiden ist langwierig. Auch wenn man sich die natürlich vorkommenden antimikrobiellen Peptide zum Vorbild nimmt, könne man selbst bei kurzen Peptiden aus 20 Aminosäuren noch nicht von der Struktur auf die Funktion schließen. „Über genetische Algorithmen und grundsätzliche Eigenschaften der Peptide wie die Verteilung der Ladung versuchen wir, deren Strukturen für eine mögliche klinische Anwendung zu verbessern“, erklärt Gutsmann.

Peptide als Abwehr gegen Erreger

Antimikrobielle Peptide sind natürlich vorkommende Antibiotika. Sie schützen den menschlichen Organismus gegen Infektionen durch Erreger. Grenzflächen wie der Darm sind ständig Bakterien ausgesetzt, aber nur selten infiziert. Neben der Schleimhaut als physikalischer Barriere produzieren Darmzellen zur Abwehr auch antimikrobielle Peptide. Diese relativ kurzen Proteine sind meist positiv geladen und interagieren mit Oberflächenstrukturen von Mikroorganismen, insbesondere Lipopolysacchariden der Zellmembran. Durch die Bindung der antimikrobiellen Peptide an die baktertielle Zellmembran werden Mechanismen in Gang gesetzt, die die Bakterien zerstören. Beim Zerfall der Bakterienmembran werden Pathogenitätsfaktoren (Endotoxine) frei, die wiederum Entzündungen auslösen können.

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