„Licht-gesteuerte Antibiotika“ aus Fluoreszenzproteinen
Veröffentlichung in Scientific Reports
19.10.2018 – Forschern von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und vom Forschungszentrum Jülich ist es gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universitat Ramon Llull (Barcelona) und der Universidad Nacional de La Plata (La Plata) gelungen, fluoreszierende Proteine zu identifizieren, die durch eine Licht-induzierte Reaktion antibiotisch wirksam sind. Die leuchtenden Eiweißmoleküle sind Varianten der Flavin-bindenden LOV-Proteine. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift Scientific Reports.
Angesichts einer steigenden Anzahl multiresistenter Krankheitserreger ist es wichtig, neue Antibiotika und Therapieformen zu entwickeln. Ein Beispiel ist die „antimikrobielle photodynamische Inaktivierung“ (aPDI). Dabei werden Bakterien schnell und effizient abgetötet: Mittels Lichtenergie wird in der Zelle ein Prozess in Gang gesetzt, bei dem hochreaktive zelltoxische Sauerstoffspezies (sog. reactive oxygen species, ROS) entstehen. Im Gegensatz zur Behandlung von Krankheitserregern mit konventionellen Antibiotika weist diese Anwendung sogenannter Photosensitizer einige Vorteile auf: Die giftigen ROS wechselwirken in kürzester Zeit mit verschiedenen Bestandteilen der bakteriellen Zelle, etwa der Zellmembran oder der DNA, wodurch eine Vielzahl verschiedener Bakterien einschließlich multiresistenter Krankheitskeime abgetötet werden. Gleichzeitig vermindern die hohe Reaktivität und die damit verbundene kurze Lebenszeit der ROS die Entstehung neuer resistenter Keime. Die Wirkung von Photosensitizern ist aufgrund der genannten Eigenschaften jedoch häufig unspezifisch.
Forscher um Prof. Dr. Karl-Erich Jaeger vom HHU-Institut für Molekulare Enzymtechnologie wiesen nun mit Kollegen des Forschungszentrums Jülich sowie von Universitäten aus Spanien und Argentinien nach, dass Flavin-bindende Fluoreszenzproteine als genetisch kodierte Photosensitizer eingesetzt werden können. Durch die Expression der entsprechenden Gene in Escherichia coli konnten diese Bakterien selektiv und sehr effektiv inaktiviert werden, wenn man sie kurz blauem Licht aussetzte. Mithilfe molekulargenetischer Methoden können die Photosensitizer-Proteine in Zukunft an Bindeproteine wie etwa Antikörper fusioniert werden, wodurch diese zu speziesspezifischen Licht-gesteuerten Antibiotika weiterentwickelt werden könnten.
Die Flavin-bindenden LOV-Proteine wurden ursprünglich entwickelt, um sie als sogenannte „Reportermoleküle“ in Zellen einzubringen. So lassen sich biologische Prozesse in lebenden Zellen beobachten und analysieren. Nun konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass einige Vertreter dieser Proteinfamilie auch günstige Eigenschaften für neue biomedizinische Anwendungen aufweisen.
Originalveröffentlichung
Stephan Endres, Marcus Wingen, Joaquim Torra, Rubén Ruiz-González, Tino Polen, Gabriela Bosio, Nora Lisa Bitzenhofer, Fabienne Hilgers, Thomas Gensch, Santi Nonell, Karl-Erich Jaeger & Thomas Drepper. An optogenetic toolbox of LOV-based photosensitizers for light-driven killing of bacteria. (2018) Scientific Reports 8:15021
DOI:10.1038/s41598-018-33291
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