Biophysik
Schwerpunkt
Die FG Biophysik widmet sich der Struktur-Funktions-Analyse bakterieller und humaner Membranen, deren Wechselwirkung mit natürlichen und synthetischen antimikrobiellen Peptiden und membranaktiven Substanzen von Pathogenen. Der Focus liegt dabei auf Mykobakterien und Gram-negativen Bakterien. Insbesondere Lungen-relevante Erreger zeichnen sich durch geringe Suszeptibilität gegenüber verschiedenen AMPs aus. Auf Grundlage der neuen Erkenntnisse werden die Entwicklung und Charakterisierung neuer antimikrobieller und anti-septischer Wirkstoffe auf Peptidbasis bis hin zu ersten klinischen Versuchen vorangetrieben. Die molekularen Grundlagen der bakteriellen Resistenzen gegenüber natürlichen und synthetischen AMPs werden analysiert. Dies umfasst sowohl die per se vorliegenden als auch induzierten Resistenzen. Die bei der Aktivierung humaner Immunzellen durch bakterielle Pathogenitätsfaktoren zugrunde liegenden Signaltransduktionsmechanismen und ihre Inhibition durch AMPs werden charakterisiert.
Ein in den letzten Jahren neu entstandener Arbeitsschwerpunkt ist die Interaktion zwischen membranaktiven Komponenten von Pathogenen, insbesondere intrazellulärer Bakterien, und Membranen humaner Zellen. Aufgeklärt werden sollen allgemeine Überlebensstrategien intrazellulärer Mikroben und sich daraus ergebende neue Therapieansätzen.
Die Basis für diese Untersuchungen sind zum einen die etablierten Membranrekonstitutionstechniken und zum anderen die Breite an vorhandenen biophysikalischen Messmethoden zur ortsaufgelösten Analyse dynamischer Prozesse. In den letzten Jahren wurde insbesondere die Nutzung der Synchrotronstrahlung, z.B. am DESY, stark ausgebaut.
Die grundlegende Philosophie der Laborgruppe Biophysik ist die konsequente interdisziplinäre Verbindung zwischen Biologie, Chemie und Physik. Im Zentrum stehen biologische Fragestellung mit medizinischer Relevanz bei pulmonalen Infektionen zu deren Beantwortung wir verschiedene biophysikalische Methoden akquiriert und weiterentwickelt haben. Die Laborgruppe widmet sich Fragen zu Struktur und Funktion verschiedener Membranen und deren Wechselwirkung mit Peptiden und Proteinen. Einen besonderen Focus nehmen dabei die bakteriellen Membranen Lungen-relevanter Keime ein. Hierzu werden die Lipide aus natürlichen Membranen aufgereinigt, charakterisiert und anschließend in sehr gut definierten Systemen rekonstituiert. Sowohl ganze Zellen, natürliche Membranen als auch rekonstituierte Membranen werden mit verschiedenen biophysikalischen Methoden untersucht (Abbildung 1).
Neben den vor Ort vorhandenen Methoden finden regelmäßige Messungen an verschiedenen Synchrotronquellen in Deutschland und Europa statt.
Folgende Fragestellungen sind von zentraler Bedeutung (Abbildung 2):
- Charakterisierung von Membranstrukturen
- Aktivität von Poren-formenden antimikrobiellen Peptiden
- Aktivität von mikrobiellen Toxinen
- Mikrobielle Adhäsion
- Intrazelluläre Überlebensstrategien
- Verteilung von Bakterien durch Aerosole
- Interaktion von Wirkstoffen in Aerosolen mit Membranen
Rekonstitutionssysteme
Um Bakterien- und Immunzellmembranen nachzuahmen, haben wir neue Rekonstitutionssysteme etabliert. Die Doppelschichten bestehen aus Phospholipiden, Lipid II und Lysyl-PG, um die Membran grampositiver Bakterien nachzuahmen, und Phospholipiden und Cholesterin, um die zytoplasmatische Membran eukaryotischer Zellen nachzuahmen. Darüber hinaus haben wir die äußere Membran Gram-negativer Bakterien als asymmetrische planare Lipiddoppelschicht und auch als asymmetrische Liposomen rekonstruiert, wobei die eine Seite aus Lipopolysacchariden (LPS) und die andere aus Phospholipiden besteht. In ersten Versuchen ist es uns gelungen, die mykobakterielle Wachsschicht mit Lipidmatrizen, die das Glykolipid-Trehalose-Dimycolat (TDM) enthalten, nachzuahmen.
Funktion antimikrobieller Peptide (AMPs)
Die AMPs, die wir in den letzten Jahren untersucht haben, unterscheiden sich in ihrer Struktur und Aktivität. Ausgehend von unserer Hypothese, dass lipid- und peptidspezifische Eigenschaften für die Empfindlichkeit oder Resistenz bestimmter Bakterienstämme verantwortlich sind, haben wir die Wechselwirkungen zwischen den AMPs und rekonstituierten Lipidmembranen charakterisiert. Für unsere Untersuchungen haben wir verschiedene AMPs in ihrer natürlichen Form sowie synthetische Derivate davon verwendet. Es wurde eine nahezu perfekte Korrelation zwischen der biologischen Aktivität der untersuchten AMPs und ihrer Interaktion mit reinen Lipidmatrizen gefunden. So ist in einem ersten Schritt die Permeabilisierung der Lipidmembran eine wesentliche Voraussetzung für die Abtötung von Bakterien. Basierend auf unseren Erkenntnissen konnten wir Peptide der ersten Generation mit verbesserten Aktivitäten synthetisieren. Zusätzlich zur Porenbildung untersuchten wir weitere Mechanismen wie Membranfusion oder Aggregation durch Hydramacin und Membrankapselung durch das C-reaktive Protein aus Limulus.
Entwicklung neuer Polypeptide als allgemeine Mikrobiozide
Wir haben neue Peptide entwickelt, die zur Bekämpfung der Gram-negativen Sepsis eingesetzt wurden, indem der Hauptpathogenitätsfaktor LPS durch die Peptide neutralisiert wird. Diese wurden daher als SALP (synthetische Anti-LPS-Peptide) bezeichnet. Sie blockierten nachweislich die Entzündungsreaktion in vitro sowie die systemische Entzündung in vivo (Mausmodell der Endotoxämie und der Infektion durch Bakterien) und hemmten die Gram-positive Pneumonie in Kombination mit einem Antibiotikum. Darüber hinaus konnten einige der Peptide die Virusreplikation in menschlichen Zellen erheblich hemmen, wie z.B. das humane Immunschwäche-Virus (HIV), die Herpes-simplex-Viren I und II, Hepatitis B, die saisonale Grippe H3N2, das Denguefieber-Virus und das KSP-Virus. Die Mechanismen der antiseptischen Wirkung und der Virusvermehrung sind unterschiedlich: Für die antiseptische Aktivität findet eine direkte Bindung an die bakteriellen Pathogene statt, aber auch eine Bindung an Zelloberflächenrezeptoren wie CD14 und TLR4.
Überlebensstrategien intrazellulärer Pathogene
Werden Mikroben von professionellen Phagozyten aufgenommen, können in ihren Phagosomen unterschiedliche Wechselwirkungen auftreten. Diese Effekte können zur Abtötung von Bakterien oder sogar zum Überleben einiger intrazellulärer Mikroben führen. Es gibt Hinweise darauf, dass die Phagozyten einerseits porenbildende Peptide der angeborenen Immunität, die sogenannten Wirtsabwehrpeptide (HDP), verwenden, um die Mikroben abzutöten, und andererseits porenbildende Proteine und Peptide, um beispielsweise die Ansäuerung des Phagosoms zu verhindern. Neben der Aufklärung der zugrunde liegenden Wirkungsmechanismen geht es vor allem darum, die Frage zu lösen, wie sich die Mikroben und der Wirt vor der Wirkung ihrer eigenen membranaktiven Substanzen schützen. Die Außenmembran von Mykobakterien enthält das Glykolipid Trehalose-Dimycolat (TDM). Die membranbildende Funktion von TDM und die Interaktion mit verschiedenen HDPs wird charakterisiert.
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2018-2021 |
LCI Graduiertenprojekt (gemeinsam mit dem BNITM): “Analyses of the binding forces between Plasmodium falciparum infected erythrocytes and various human endothelial receptors” |
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2018-2019 |
Heidelberger Phospholipidinstitut: „Bottom-up designed synthetic bacteria – a tool to develop new antibiotic strategies“ |
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2017-2019 |
ZIM Projekt BMWi: “Quantitativer Nachweis matrixassoziierter, antimikrobieller Peptide durch Massenspektrometrie ihrer Aminosäuren” |
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2007-2018 |
Member and project leader in the Cluster of Excellence „Inflammation at interfaces“. Since 2012 Co-speaker of the Cluster-Lab X “Molecular dynamics”. |
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2015-2017 |
ZIM Projekt BMWi: “Calciumhaltige Implantatoberfläche mit antibakteriellen, antiinflammatorischen Wirkstoffdepots zur Vermeidung periprothetischer Infektionen” |
- Rekonstituierte Planare Membranen
- Rasterkraftmikroskopie (AFM)
- Filmwaage (Langmuir-Trog)
- Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer (FRET)-Spektroskopie
- Patch-Clamp Technik
- Fourier-Transform Infrarot (FTIR)-Spektroskopie
- Oberflächenwellen-Biosensor
- Mikrokalorimetrie
- Antibakterielle und Zytotoxizitätstests
- Zellkultursysteme und Zytokininduktion (ELISA)
- Dynamische Lichtstreuung
- Zeta-Potential Messungen
- Synchrotron Röntgenbeugung
- Impedanzspektroskopie an Membranen
2024
Müller, R, König, A, Groth, S, Zarnowski, R, Visser, C, Handrianz, T, Maufrais, C, Krüger, T, Himmel, M & Lee, S et al. 2024, 'Secretion of the fungal toxin candidalysin is dependent on conserved precursor peptide sequences', Nature Microbiology, Jg. 9, Nr. 3, S. 669-683. https://doi.org/10.1038/s41564-024-01606-z
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2023
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Leitung der Forschungsgruppe
Wissenschaftliche Mitarbeiter:innen
Technische Mitarbeiter:innen
Letztes Update: 09.11.2023