Forschung

Das Immunsystem verfügt über die Fähigkeit, zwischen „selbst“ und „fremd“ zu unterscheiden, was für den Schutz vor Infektionen von grundlegender Bedeutung ist. Auf molekularer Ebene geschieht dies durch spezifische Rezeptoren eukaryotischer Zellen, die charakteristische Fremdmoleküle von Mikroorganismen erkennen. Ein solches Molekül ist das Lipopolysaccharid (LPS), das in der Zellwand von Gram-negativen Bakterien vorkommt und eine Schlüsselrolle bei der Wirt-Pathogen Interaktion spielt. Spezifische Proteinrezeptoren des angeborenen Immunsystems, die LPS erkennen, können entzündliche Abwehrreaktion gegen Infektionen auslösen und die Immunhomöostase unterstützen. Bakterielle Pathogene verfügen über eine Vielzahl von Mechanismen, um ihre Zellwand als Reaktion auf die Übertragung zwischen Umwelt, Vektor und menschlichem Wirt anzupassen, indem sie die Zusammensetzung des LPS verändern und so die Immunantwort der eukaryotischen Zelle beeinflussen. Die Modifikation der Phosphatgruppen der immunstimulierenden Komponente des LPS, einem Glykolipid Lipid A, schützt die Bakterien vor der Erkennung durch kationische antimikrobielle Peptide des Wirts. Die Auswirkungen dieser Modifikationen auf die LPS-Erkennungsrezeptoren des angeborenen Immunsystems sind jedoch weitgehend unbekannt. Von besonderer Bedeutung sind die Effekte von Phosphatgruppenmodifikationen auf intrazelluläre LPS-spezifische Rezeptoren, die an der antitumoralen Immunität beteiligt sind. Aufgrund der großen Heterogenität bakterieller Glykane sowie der Instabilität modifizierter Phosphatgruppen können strukturell definierte intakte LPS-Fragmente nicht direkt aus bakteriellen Quellen isoliert werden. Die chemische Synthese stellt jedoch eine zuverlässige Methode dar, komplexe immunmodulatorische LPS-Moleküle aus kleinen Bausteinen zusammenzusetzen. Die Kohlenhydratchemie, oder Glykochemie, bietet vielseitige Werkzeuge zur Synthese komplexer Glykane, wodurch strukturell definierte und homogene Moleküle von hoher Reinheit für biologische Untersuchungen erhalten werden können. Im Rahmen des Projektes werden neue synthetische Ansätze zum Aufbau komplexer phosphorylierter Glykane entwickelt und eine Reihe von bakteriellen LPS- und Lipid A-Molekülen mit modifizierten Phosphatgruppen hergestellt. In Zusammenarbeit mit internationalen Forschungsgruppen auf dem Gebiet der Immunologie und der Strukturbiologie wird die immunbiologische Aktivität und Interaktion unserer synthetischen phosphorylierten Glykolipide und LPS-Moleküle mit entsprechenden Proteinen untersucht. Durch die Entwicklung einer Sammlung synthetischer Varianten bakterieller Lipid A- und LPS-Moleküle mit einzigartig modifizierten Phosphatgruppen zielen unsere Forschungsarbeiten darauf ab, die strukturelle Basis ihrer Interaktion mit Immunrezeptoren aufzuklären und die molekularen Grundlagen der antitumoralen und antibakteriellen LPS-induzierten Immunität zu erforschen.

Durch Photosynthese wandeln Meeresalgen jedes Jahr Gigatonnen von Kohlendioxid in Kohlenhydrate um. In Form von Algenpolysacchariden bestimmen diese strukturell komplexen Biomoleküle in hohem Maße, wie viel Kohlenstoff in den Ozeanen gespeichert wird. Spezialisierte Meeresbakterien setzen diese Kohlenstoff-Energie frei, indem sie die Polysaccharide durch die Wirkung kohlenhydrataktiver Enzyme (CAZyme) aufspalten und das Kohlendioxid wieder in die Atmosphäre entlassen. Einige der Polysaccharide werden jedoch nicht schnell recycelt, sondern sinken in die Tiefsee und in die Sedimente, wo sie Kohlenstoff für Jahrtausende speichern können. Um diese Prozesse besser zu verstehen, sind große Anstrengungen zur weiteren Erforschung des marinen Kohlenstoffkreislaufs erforderlich. Die gleichen Fortschritte sind auch wichtig, um aufkommende Bemühungen zu unterstützen, Algenbiomasse als neue nachhaltige Ressource für die Bioökonomie zu nutzen. Die enzymatische Maschinerie, die für den Abbau von Polysacchariden durch Meeresbakterien verantwortlich ist, ist aufgrund der Größe und Heterogenität der Algenpolysaccharide noch weitgehend unerforscht. Reine und definierte Oligosaccharide, die für ein systematisches Screening von marinen CAZymes benötigt werden, sind derzeit nicht verfügbar. Da die herkömmliche chemische Synthese zeitaufwändig und oft nicht allgemein genug ist, zielt ASAP darauf ab, Sammlungen von Oligosacchariden aus verschiedenen Klassen von Algenpolysacchariden zu erhalten, indem die Technologie der automatisierten Glykanassemblierung (AGA) eingesetzt wird. Oligosaccharide mit vielen verschiedenen Sequenzen und Sulfatierungsmustern werden aus einer begrenzten Anzahl von Monosaccharidbausteinen hergestellt. Inkubation der synthetischen Oligosaccharide mit Proben, die kohlenhydratabbauende Aktivität enthalten, und anschließende HPLC-MS-Analyse der Abbauprodukte werden Aufschluss geben über: 1) die kollektiven Enzymaktivitäten bakterieller Gemeinschaften in Meerwasser- und Sedimentproben; 2) die Fähigkeiten einzelner Bakterienstämme, spezifische Polysaccharide abzubauen; 3) die Substratspezifitäten gereinigter CAZymes.

Das Spike Protein von HIV-1 ist mit einem Cluster von oligomannosidischen Glykanen versehen die neutralisierende Antikörpern (bnAbs) induzieren können. Während sich solche nAbs in einigen HIV-infizierten Personen autonom entwickeln können, sind alle Versuche derartige schützenden Antikörper durch Immunisierung zu generieren bisher gescheitert. Die methodischen Ansätze dazu basierten auf der Herstellung von oligomannosidischen Clustern, die an Trägerproteine gekoppelt wurden. Die Schwierigkeit, damit neutralisierende Antikörper zu erzeugen, liegt vor allem an der Immuntoleranz gegenüber diesen körpereigenen Kohlenhydrat-Strukturen. Im Projekt wird nunmehr versucht durch Verwendung von oligomannosidischen Mimetika diese Toleranzmechanismen auszuschalten und die Kohlenhydratantigene in einem "fremden" Milieu zu präsentieren um die Bildung von kreuz-reaktiven Antikörpern zu stimulieren. Im Vorprojekt konnte gezeigt werden dass entsprechende CRM197-konjugate mit hoher Avidität von einigen Oligomannose-spezifischen Antikörpern sowie auch von deren Keimbahnvarianten und von rekombinanten HIV-1 SOSIP Trimeren gebunden wurden. Für diese Aktivitäten ist jedoch der Zusatz von einem TLR4-stimulierenden Th1-Adjuvans (GLA-SE) erforderlich. Im Projekt sollen diese Arbeiten mit dem Schwerpunkt auf weitere Kohlenhydratmimetika und optimierten Immunisierungsexperimenten mit neuen Adjuvantien weiter vertieft werden. Die Ergebnisse sollten die Basis für künftige präklinische Studien liefern und einen Beitrag für neue HIV-Vakzinstrategien leisten.