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Forschung

Einführung

Antibiotika stellen interessante chemische Stimuli dar, mit Hilfe derer man spezifisch essentielle Zellfunktionen und -strukturen hemmen kann. Die Antibiotikabehandlung bringt ein Modellsystem, wie z.B. Bakterien in der exponentiellen Wachstumsphase, ins Ungleichgewicht und provoziert die Aktivierung einer zellulären Antwort, die in der Regel auf eine Schadensbegrenzung und/oder längerfristige Anpassung abzielt. Proteomanalysen eignen sich besonders gut diese zelluläre Antwort zu untersuchen, da man mit ihrer Hilfe induzierte und reprimierte Effektormoleküle identifizieren kann [1]. Wir konnten zeigen, dass die zelluläre Antwort auf sublethale Antibiotikakonzentrationen charakteristisch für den Wirkmechanismus einer Substanzklasse ist. Am Beispiel der Peptiddeformylase demonstrierten wir, dass die Proteom-Antwort auf Enzymhemmung durch Aktinonin der Antwort auf Repression einer Peptiddeformylase-Konditionalmutante stark ähnelt [2]. Der Wirkmechanismus strukturell neuer Antibiotika kann daher durch den Vergleich der Proteomprofile mit denen von Referenzantibiotika oder Konditionalmutanten unter reprimierenden Bedingungen identifiziert werden [2,3]. Im Falle einer neuen Substanzklasse kann ein Verständnis zellulärer Antworten genutzt werden um Hypothesen über neue Antibiotika-Wirkmechanismen zu generieren [4], die durch weitergehende Experimente bestätigt werden können.

Untersuchung bakterieller Antworten auf Hemmung essentieller Zellfunktionen

Für ca. 30 gut untersuchte Antibiotika haben wir bereits Proteomprofile für den Gram-positiven Modellorganismus Bacillus subtilis erstellt [3]. Durch den Einsatz von Antibiotika mit ähnlichen Wirkmechanismen konnten wir Proteomsignaturen für die Hemmung von Peptiddeformylase, Peptidyltransferase und tRNA-Synthetasen, sowie für fehlerhafte Translation, DNA-Interkalation und kovalente DNA-Modifikation beschreiben.
Für ein Verständnis der bakteriellen Reaktion ist es unerlässlich, die Funktion der induzierten Proteine zu untersuchen. Uns interessiert ebenfalls welche Regulatoren die bakteriellen Antworten koordinieren. Am Beispiel der Regulation der Antwort auf Rifampin durch die Energiestatus-signalisierende RsbP Phosphatase zeigten wir [5], wie die Regulation der Antwort auf Antibiotikastress mit Hilfe von Proteomanalysen von Regulatormutanten untersucht werden kann.

Aufklärung von Antibiotika-Wirkmechanismen

Strukturell neue Antibiotika mit neuen Wirkmechanismen werden aus klinischer Sicht insbesondere für die Behandlung multi-resistenter Krankheitserreger dringend benötigt. Solche neuen Antibiotika isolieren und konzipieren wir zum einen selbst, zum anderen erhalten wir Substanzen durch Kollaborationen mit akademischen Einrichtungen und Industriepartnern. Zur Aufklärung der Wirkmechanismen verfolgen wir im Wesentlichen zwei Strategien. Falls das Proteomprofil eines neuen Antibiotikums einem uns schon bekannten Proteomprofil gleicht, kann der Wirkmechanismus sehr schnell durch einfache Musteranalyse aufgeklärt werden [3,6]. In diesem Fall wird der Wirkmechanismus mit unabhängigen Methoden verifiziert. Falls das zytosolische Proteomprofil keinem der bereits bekannten Proteomprofile ähnlich ist, werden z.B. Antibiotika-tolerante Stämme genetisch analysiert (Mutation-Mapping). Ebenfalls wird die bakterielle Antwort detaillierter untersucht. Bei der Aufklärung des Wirkmechanismus von Acyldepsipeptiden erlaubten beispielsweise zytosolische Markerproteine, sowie charakteristische Proteinmodifikationen Hypothesen über den Wirkmechanismus aufzustellen [4].

1. VanBogelen RA, Schiller EE, Thomas JD, Neidhardt FC. 1999. Diagnosis of cellular states of microbial organisms using proteomics. Electrophoresis 20:2149-59
2. Bandow JE, Becher D, Büttner K, Hochgräfe F, Freiberg C, Bötz H, Hecker M. 2003. The role of peptide deformylase in protein biosynthesis – a proteomic study. Proteomics 3:299-306
3. Bandow JE, Brötz H, Leichert LI, Labischinski H, Hecker M. 2003. Proteomic approach to understanding antibiotic action. Antimicrob Agents Chemother 47:948-955
4. Brötz-Oesterhelt H, Beyer D, Kroll HP, Schroeder W, Hinzen B, Raddatz S, Paulsen H, Bandow JE, Sahl HG, Labischinski H. 2005. Dysregulation of bacterial proteolytic machinery by a new class of antibiotics. Nature Medicine 11:1082-1087
5. Bandow JE, Brötz H, and Hecker M. 2002. Bacillus subtilis tolerance of moderate concentrations of rifampin involves the sB-dependent general and multiple stress response. J Bacteriol 184:459-467
6. Beyer D, Kroll HP, Endermann R, Schiffer G, Siegel S, Bauser M, Pohlmann J, Brands M, Ziegelbauer K, Haebich D, et al.. 2004. New class of bacterial phenylalanyl-tRNA synthetase inhibitors with high potency and broad-spectrum activity. Antimicrob Agents Chemother 48: 525-532