Glykokalyx: E. coli-Anhaftungen kontrollieren

2. Dezember 2014
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Eine neue künstliche Oberfläche imitiert den Glykokalyx von Zellen, an den Bakterien beispielsweise bei einer Infektion binden. Dieses Andocken lässt sich nun durch Licht ein- und ausschalten. Das erleichtert das Verständnis, wie Kohlenhydrate und bakterielle Infektionen zusammenhängen.

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 Krankheiten und Infektionen sind solche Mechanismen beteiligt. Die im Experiment eingesetzten E. coli-Bakterien können Harnwegsinfektionen, Hirnhautentzündungen, Sepsen und weitere schwerwiegende Erkrankungen auslösen. Um diese Krankheiten verstehen und behandeln zu können, müssen 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“ („Schlüssel-Schloss-Prinzip“) mit Kohlenhydratstrukturen auf der Wirtszelloberfläche wechselwirken. Eine Studie zeigt nun erstmals, dass dafür die räumliche Ausrichtung der Kohlenhydratstrukturen entscheidend ist. In der natürlichen Glykokalyx, 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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Rastertunnelmikroskopaufnahme von einer Kultur Escherichia Coli © Quelle: NIAID

Professorin Thisbe K. Lindhorst, Chemikerin an der Uni Kiel, baut mit ihrem Team 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. Dazu versahen die 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 Forscher ihr System mit Licht einer Wellenlänge von 365 Nanometern, 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 Nanometer 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 Glykokalyx auf die wesentlichen Prozesse reduzieren und so verstehen“, erklärt Terfort. „Dieser neue Ansatz sollte sich auch auf andere biologische Grenzflächensysteme übertragen lassen.“

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Links: E. coli-Bakterien können über das Protein FimH an den Zuckermolekülen der künstlichen Glykokalyx andocken. Rechts: Die Bakterien können nicht mehr andocken, denn die Zuckermoleküle knicken weg. © Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.

„Anhand unseres Modellsystems lassen sich Erkennungs- und Bindungseffekte der Glykokalyx 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 et al.; Angew. Chem., doi: 10.1002/anie.201409808; 2014

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