„Klettverschluss“-Antibiotika sind da! „Umarmen“ vor dem Abtöten von Bakterien?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Ouyang Haomiao (Institut für Mikrobiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Antibiotika sind eine wichtige Waffe der modernen Medizin. Wenn bestimmte Bakterien in unserem Körper eine Gefahr für unsere Gesundheit darstellen, brauchen wir Antibiotika, um die Bakterien abzutöten, bis wir uns erholt haben.

Wenn wir Antibiotika erwähnen, denken wir auch an „Arzneimittelresistenz“. Aufgrund des Missbrauchs von Antibiotika und der schnellen Mutation von Bakterien können einige Bakterien resistent gegen Antibiotika werden, wodurch Antibiotika unwirksam werden.

Gibt es also ein Antibiotikum, das die Grenzen der „Arzneimittelresistenz“ durchbrechen und uns besser dabei helfen kann, gesund zu werden?

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Wie wirken Antibiotika?

In unserem Körper gibt es viele Bakterien. Es sind winzige Organismen. Einige Bakterien sind für den Körper von Vorteil, beispielsweise Probiotika. Allerdings können einige „schlechte“ Bakterien eine Gefahr für unseren Körper darstellen, uns Unwohlsein bereiten und Erkältungen, Fieber usw. verursachen. In diesem Fall sind Antibiotika erforderlich.

Antibiotika sind wie „Kanonen“ in einer Armee, die speziell auf diese Bakterien abzielen. Wenn sie den Feind – Bakterien – finden, beginnen sie, diese anzugreifen. Einige Antibiotika können die Zellwand oder Zellmembran von Bakterien direkt zerstören und so die „schlechten“ Bakterien abtöten. Einige Antibiotika wirken wie Scharfschützen, die in die Bakterien eindringen und ihre Schlüsselbestandteile gezielt angreifen können. und einige Antibiotika wirken wie Wirkstoffe, die im Inneren der Bakterien lauern, ihren Lebensraum zerstören, die „schlechten“ Bakterien schwächen und schließlich von unserem Immunsystem besiegt werden. Wenn Antibiotika anfangen, Bakterien zu bekämpfen, greifen sie diese so lange an, bis alle abgetötet sind und wir uns schnell erholen.

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Neue Antibiotika: Haften an Bakterien wie Klettverschluss

Aus den Prinzipien der antibiotischen Wirkungsweise können wir schließen, dass die Zerstörung der Zellwand von Bakterien eine sehr wirksame Methode zur Abtötung von Bakterien ist. Auch in dieser Richtung haben Wissenschaftler viel geforscht, unter anderem über die Blockierung der Zellwandsynthese und die Zerstörung der Zellwandstruktur. Gibt es außer den oben genannten Methoden noch andere Mittel?

Kürzlich veröffentlichten Forscher der Universität Utrecht in den Niederlanden ihre neuesten Erkenntnisse in Nature Microbiology. Sie fanden heraus, dass ein niedermolekulares Antibiotikum namens Plectasin zu größeren Strukturen zusammengesetzt und auf der Oberfläche von Bakterienzellen fixiert werden kann, genau wie die Haken und Schlaufen auf beiden Seiten eines Klettverschlusses aneinander haften, wodurch es für Bakterien unmöglich wird, zu entkommen und weiterhin Körperzellen zu infizieren. Diese aufregende Entdeckung könnte einen Durchbruch bei der Entwicklung von Antibiotika bringen und hat wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung neuer Antibiotika zur Bekämpfung medikamentenresistenter Bakterien.

Bei diesem Plectasin-Typ handelt es sich um eine Klasse von Enzymen mit antibakterieller Wirkung, die vom Pilzmyzel produziert werden, wie beispielsweise das antibakterielle Mycin Plectasin, das aus Trüffeln gewonnen wird. Die Einzigartigkeit dieses Antibiotikums besteht darin, dass es Bakterien nicht einfach durch einfache chemische Bindung hemmt, sondern seine antibakterielle Aktivität durch einen ausgeklügelten Selbstorganisationsmechanismus verstärkt , nämlich den „Klettverschlussmechanismus“ antibiotischer Myzelenzyme.

Einfach ausgedrückt kann sich dieses niedermolekulare Antibiotikum zu größeren Strukturen zusammenlagern und sich an der Oberfläche von Bakterienzellen festsetzen, genau wie die Haken und Schlaufen auf beiden Seiten eines Klettverschlusses aneinander haften, wodurch es für die Bakterien unmöglich wird, zu entkommen und weiterhin Körperzellen zu infizieren.

Am Beispiel von Plectasin müssen antibiotische Myzelenzyme die folgenden Schritte durchlaufen, um einen „Klettverschluss“ zu bilden, der Bakterien abtöten kann:

1. Calciumionen-induzierte Selbstassemblierung

In Gegenwart von Calciumionen erfährt das Myzelenzym Plectasin Konformationsänderungen, die eine Selbstassemblierung ermöglichen und somit eine effektive Selbstassemblierung auf der Bakterienoberfläche ermöglichen.

2. Targeting bakterieller Zellwand-Vorläuferlipide II

Sobald die Myzelenzyme Plectasin Konformationsänderungen durchlaufen, können sie den bakteriellen Zellwandvorläufer Lipid II (Lipid II) effizient und selektiv erkennen und daran binden, ein Vorgang, der dem Einstecken eines Schlüssels in ein Schloss ähnelt. Da Lipid II ein unverzichtbarer Vorläufer bei der Synthese bakterieller Zellwände ist, ist diese Bindung auch ein wichtiger Schritt im Selbstorganisationsprozess.

3. Selbstorganisation zu supramolekularen Strukturen

Auf der Oberfläche der Bakterienzellen interagieren Plectasin-Moleküle weiter miteinander und bilden eine dichte supramolekulare Struktur. Diese Strukturen sind durch Mehrpunktbindung fest mit der Bakterienmembran verbunden. Durch diese Selbstorganisation entsteht eine dichte supramolekulare Struktur, ähnlich einem Klettverschluss, der fest auf der Bakterienoberfläche haftet. Diese Mehrpunktbindung erhöht nicht nur die Stabilität der Enzymmoleküle auf der Bakterienoberfläche, sondern verbessert auch ihre antibakterielle Wirkung. .

4. Hemmung der bakteriellen Zellwandsynthese

Sobald diese supramolekularen Komplexe gebildet sind, wirken sie wie winzige „Haken“, die an den Bakterienringen befestigt sind. Sie haken sich an ihrem Ziellipid II ein und verhindern so, dass Lipid II neue Zellwände synthetisiert . Dies führt letztlich zum Verlust der strukturellen Integrität und Funktion der Bakterien und damit zu ihrem Tod. Auch wenn sich bei diesem Vorgang ein Lipid II vom „Haken“ löst, bleiben die Bakterien in einer großen Zahl von „Haken“ gefangen und können nicht entkommen und somit keine weitere Infektion verursachen.

Schematische Darstellung von "Klettverschluss"

(Bildquelle: Nature Microbiology)

Durch seinen einzigartigen „Klettverschluss“-Wirkmechanismus hat das Myzelenzym Plectasin das Potenzial, mit multiresistenten Bakterien fertig zu werden, was es auch zu einer wichtigen Forschungsrichtung in der aktuellen Antibiotikaresistenzkrise macht.

Neue Ideen für das Antibiotika-Design: Fokus auf der Effizienz der Selbstassemblierung von Medikamenten

Zusätzlich zu Plectasin haben Wissenschaftler auch entdeckt, dass viele Antibiotika möglicherweise einen ähnlichen Selbstorganisations-„Klettverschlussmechanismus“ verwenden, um ihre antibakterielle Wirkung zu verstärken. Diese Entdeckung liefert auch neue Ideen für die Entwicklung von Antibiotika: Dabei muss nicht nur die Fähigkeit der Arzneimittel, an Zielmoleküle zu binden, sondern auch die Effizienz der Selbstassemblierung der Arzneimittel berücksichtigt werden . Durch das Erlernen dieses Mechanismus könnten in Zukunft möglicherweise Medikamente entwickelt werden, die bakterielle Infektionen wirksamer bekämpfen und so das zunehmend ernste Problem der Antibiotikaresistenz angehen.

Darüber hinaus haben Wissenschaftler auch die Wirkung und Sicherheit antibiotischer Myzelenzyme im menschlichen Körper untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass dieses Antibiotikum in Tierversuchen in der Lage war, Infektionen durch Staphylococcus aureus, Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa zu bekämpfen. Der nächste Schritt besteht darin, die Anwendungsaussichten beim Menschen im Rahmen klinischer Studien weiter zu evaluieren.

Antibiotikaresistenzen stellen für die Gesundheitssysteme weltweit eine große Herausforderung dar. Durch die Entstehung medikamentenresistenter Bakterien sind viele herkömmliche Antibiotika unwirksam geworden. Die Untersuchung des „Klettmechanismus“ antibiotischer Hyphenenzyme hat neue Wege für die Forschung und Entwicklung von Antibiotika eröffnet. Durch das Verständnis und die Nutzung des Selbstorganisationsmechanismus von Arzneimitteln können Wissenschaftler wirksamere antibakterielle Medikamente entwickeln, was wertvolle Ideen für zukünftige antibakterielle Behandlungen liefert. Dies könnte nicht nur die Lebensdauer bestehender Antibiotika verlängern, sondern auch zur Entwicklung neuer Waffen gegen medikamentenresistente Bakterien führen.

Es besteht die Hoffnung, dass diese Entdeckung weitere Forschungen anregt und eine neue Ära der Antibiotika-Entwicklung einläutet, um die menschliche Gesundheit vor der Bedrohung durch bakterielle Infektionen zu schützen.