Charakterisierung von Wirkmechanismen der peptidischen Naturstoffe Labyrinthopeptin und Cystobactamid

Abstract

Immer neu auftretende Virusvarianten oder die Entstehung multiresistenter Bakterien stellen eine enorme Herausforderung in der heutigen Medizin dar. Die Biodiversität der Natur bietet ein großes Reservoir für die Entdeckung neuer Naturstoffe mit biologischem Potential wie antibakteriellen, antiviralen oder antikanzerogenen Eigenschaften. Ein phänotypisches Selektionsverfahren kann zur Identifizierung potentieller Leitstrukturen zur Behandlung von beispielsweise bakteriellen oder viralen Infektionen dienen. Jedoch ist der Wirkmechanismus der identifizierten Leitstrukturen zunächst unbekannt. Die Charakterisierung der Wirkmechanismen kann durch eine Vielzahl unterschiedlicher Strategien durchgeführt werden. Omics-Studien reichen von Transkriptom- über Proteom- bis hin zu Metabolom- bzw. Lipidomanalysen und bieten somit eine hervorragende Möglichkeit sekundäre Zielstrukturen und Bindungsstellen an primäre Zielstrukturen zu identifizieren oder den Effekt von Zielstruktur-Abundanz auf die zelluläre Aktivität zu charakterisieren. Darüber hinaus bietet Photopharmakologie die Möglichkeit sowohl die Auswirkung einer Konfigurationsänderung auf die biologische Aktivität zu evaluieren als auch Informationen über die Struktur-Aktivitäts-Beziehung zu gewinnen. In dieser Arbeit wurden die Wirkmechanismen von Cystobactamiden und Labyrinthopeptinen unter Einsatz verschiedener Omic-Strategien charakterisiert. Cystobactamide zeigen antibakterielle Aktivität gegen sowohl Gram-negative als auch Gram-positive Bakterien der ESKAPE Pathogene. Die antibakterielle Aktivität wird durch die Inhibierung von Gyrase und Topoisomerase IV hervorgerufen. Zunächst wurden Cystobactamide kinetisch und biologisch charakterisiert, die einen oder mehrere sogenannte Photoschalter im Molekül haben. Die Konfigurationsänderung von trans nach cis resultiert in einem leichten Anstieg der biologischen Aktivität. Zusätzlich konnten die Resistenzmechanismen der Enzyme AlbA und AlbD durch die trans-Konfiguration von GT4-059 überwunden werden. Durch den gezielten Einbau einer Photoaffinitätsgruppe konnte das Cystobactamid kovalent an Gyrase gebunden werden. Proteomstudien der gelabelten Gyrase konnten Hinweise auf die mögliche Cystobactamid-Gyrase-Bindungsstelle liefern. Darüber hinaus wurden Proteomstudien eingesetzt, um potenzielle sekundäre Zielstrukturen zu identifizieren. Labyrinthopeptin ist eine potente antivirale Substanz mit einem breiten Wirkungsspektrum gegen umhüllte Viren, wie Dengue (DENV), Zika (ZIKV) und West-Nil Virus (WNV). Die antivirale Aktivität resultiert aus der Bindung an Phosphatidylethanolamin (PE) in der Virushülle. In dieser Arbeit wurde eine gezielte massenspektrometrische Methode entwickelt, um das Lipidom aufgereinigter DENV zu charakterisieren. Darüber hinaus konnten unter Verwendung verschiedener Zelllinien DENV Partikel mit unterschiedlichem Lipidom generiert werden. In einem konzentrationsabhängigen antiviralen Experiment wurde gezeigt, dass die Labyrinthopeptin-Aktivität von dem PE-Anteil in der Virushülle beeinflusst wird.