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Entschlüsselung der Bakterienadhäsion: ein Modell mit Bartonella henselae

Ein bisschen Hintergrund

Vor ungefähr anderthalb Jahren begann ich, ein neues Kapitel in meinem Leben zu schreiben. Ich erhielt ein Marie-Curie-Stipendium für ein Promotionsprojekt im Rahmen des Viral and Bacterial Adhesin Network Training (ViBrANT). In meinem vorherigen Blog erzähle ich Ihnen etwas mehr über mich und den Prozess, wie ich mich auf diese spannende  Geschichte eingelassen habe.

Warum sich auf die Adhäsion von Krankheitserregern konzentrieren?

 

Wissenschaftler haben eine schwierige Aufgabe im Kampf gegen infektiöse Krankheitserreger. Dies liegt hauptsächlich daran, dass diese schwer fassbaren Mikroagenten Strategien entwickelt haben, um sich vor dem menschlichen Schutzsystem (Immunsystem) zu verstecken, Werkzeuge zur Entwicklung von Arzneimittelresistenzen (antimikrobielle Resistenz) erworben und überlappende Werkzeuge etabliert haben, um ihr Hauptziel zu erreichen… unsere Zellen .

Die Wissenschaftler geben jedoch nicht auf, nach alternativen Behandlungsmethoden und erfolgreicheren Ansätzen zur Bekämpfung infektiöser Krankheitserreger zu suchen. Zu diesen neuartigen Ansätzen gehört die Idee, den ersten und kritischen Schritt der Infektion zu blockieren: die Verankerung von Krankheitserregern an der menschlichen Zielzelle.

Es klingt nach einer interessanten Idee, nicht wahr? Wenn verhindert wird, dass der Erreger an der menschlichen Zelle haftet, kann der Infektionserreger auf „natürlichere“ Weise entfernt werden. Dies führt zur Verhinderung des Auftretens von Krankheiten, noch bevor der Erreger die Zelle infizieren kann. Die Anwendung dieses Ansatzes ist jedoch etwas komplizierter als es sich anhört. Das Ziel meines Projekts ist es, einige Informationen auf diesem Gebiet hinzuzufügen, indem die Mechanismen, die an dieser Pathogen Bindung an menschliche Zellen beteiligt sind, unter Verwendung eines Bakterienmodells aufgeklärt werden.

 

Bakterienmodell zur Bindungshemmung

Die Suche nach Strategien zur Beeinflussung der Verankerung von Krankheitserregern in der Wirtszelle ist eine Herausforderung. Dies liegt hauptsächlich daran, dass Bakterien einen Werkzeugkasten mit zahlreichen Instrumenten für diesen Zweck darstellen. Wenn einer von ihnen aus irgendeinem Grund versagt, hat das Bakterium einen Ersatz, um seine Funktion zu ersetzen.

Jetzt ist es wichtig, ein besseres Verständnis des bakteriellen Adhäsionsprozesses zu entwickeln, wenn wir jemals erwarten, Infektionen durch Blockierung der bakteriellen Anhaftung an menschliche Zellen zu verhindern. Hier kommt Bartonella henselae (der Erreger der Katzenkratzkrankheit) ins Spiel. Frühere Forschungen haben beschrieben, dass Bartonella durch Entfernen nur eines Instruments aus seiner Werkzeugkiste, eines Proteins namens BadA, seine Fähigkeit, sich an menschliche Zellen zu binden, erheblich verringert. Diese Tatsache macht Bartonella zu einem interessanten Modell, um die Blockierung der Bakterienadhäsion hinsichtlich einer Infektionsverhinderung zu untersuchen.

Bei der Adhäsion spielen zwei Teile eine Rolle: Bakterien und menschliche Zellen

 

Im Adhäsionsprozess verwenden bakterielle Proteine einen „Kollaborateur“, der aus menschlichen Zellen stammt. Verstehen Sie mich nicht falsch, es bedeutet nicht, dass menschliche Zellen beim Infektionsprozess helfen, aber Bakterien nutzen Strukturen, die bereits in unserer zellulären Umgebung vorhanden sind. Bakterien haften über verschiedene biochemische Mechanismen an diesen Strukturen und verhindern, dass sie durch natürliche mechanische Kräfte in unserer Gewebeumgebung ausgewaschen werden.

Diese menschlichen Partner sind meistens extrazelluläre Matrix (ECM) -Proteine, Strukturen, die auf unseren Zellen vorhanden sind und deren normale Funktion darin besteht, die Zellen im Gewebe zu organisieren. Diese Strukturen sind das perfekte Ziel für die Anhaftung von Bakterien, da sie überall auf allen Geweben verteilt sind. In der Gruppe der ECM-Proteine befindet sich Fibronektin, ein Protein, das zuvor als „süßes Ziel“ im Adhäsionsprozess für viele andere pathogene Bakterien beschrieben wurde.

Wie kann man anfangen, das Rätsel um die Anhaftung von Bakterien zu lösen?

 

Zusammengenommen haben wir also zwei mögliche Teilnehmer an diesem bakteriellen Adhäsionsprozess: BadA, ein bakterielles Protein von Bartonella, und Fibronektin, ein Strukturprotein aus der zellulären Umgebung. Wir verstehen jedoch immer noch nicht, wie genau diese beiden Proteine interagieren, und wenn wir diese Zusammenarbeit blockieren, können wir die Krankheit stoppen. Dies ist der Moment, in dem Wissen und Kreativität eine Rolle bei der Lösung des Rätsels spielen. Wenn es Ihre Chance wäre, wie würden Sie es tun?

In diesen anderthalb Jahren habe ich verschiedene Ansätze getestet, um zu untersuchen, wo diese beiden komplexen Proteine interagieren (BadA und Fibronektin). Dazu habe ich eines dieser Proteine in kürzere Stücke geschnitten, um festzustellen, welches Fragment für den Bakterienadhäsionsprozess entscheidend ist. Glücklicherweise haben wir festgestellt, dass die Bakterienbindung verringert wird, wenn ein Teil dieses Proteins fehlt.

Aber ist Fibronektin die einzige Struktur, die wichtig ist, um die Adhäsion zu unterstützen, oder interagiert Bartonella mit anderen menschlichen Proteinen? Um diese Frage zu beantworten, verwendete ich genetische Werkzeuge (CRISPR Cas), die es ermöglichen Fibronektin aus menschlichen Zellen zu entfernen. Die Idee dieses Tests war es, die Bedeutung dieses zellulären Kollaborateurs durch einen Ansatz des Funktionsverlusts zu bestätigen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass Bartonella, wenn menschliche Zellen kein Fibronektin haben, seine Anhaftung an die Wirtszelle verringert.

Bisher sind dies sehr interessante Ergebnisse. Wir haben Abschnitte identifiziert, die für die BadA-Fibronektin-Wechselwirkung wichtig sind, und wir haben auch bewiesen, dass Fibronektin ein wichtiger Mitarbeiter bei der bakteriellen Bindung an die menschliche Zelle ist. Aber reicht es aus, die Interaktion mit gezielten Medikamenten zu blockieren, um eine Infektion zu verhindern? Wird das Bakterium ein anderes Instrument aus seiner Werkzeugkiste holen, um das ausgefallene zu ersetzen und die Infektion fortzusetzen?

Viele Schritte stehen noch bevor …

Es gibt noch viel zu tun. Mit dem bisher gewonnenen Wissen können wir den Weg beschreiben, den Bartonella für die Adhäsion geht. Für spätere Schritte wollen wir diese spezifischen interagierenden Proteinregionen mithilfe synthetischer Moleküle (Anti-Liganden) blockieren, um Krankheiten durch Hemmung der Bartonella-Bindung an menschliche Zellen zu verhindern.

Das aus diesem Projekt gewonnene Wissen soll einen Einblick in die Anwendung von Bindungshemmungsansätzen bei der Behandlung von Infektionskrankheiten mit schwieriger Prognose geben. 

Viele Mitarbeiter im Kreativ- / Wissensprozess

An dem kreativen Prozess zur Aufklärung der Bartonella-Adhäsion an menschlichen Zellen waren bisher viele Mitarbeiter beteiligt, angefangen bei meinem Vorgesetzten und Kollegen am Institut für Medizinische Mikrobiologie bis hin zu den Schulungen, die ich von Mitgliedern des Vibrant-Teams und anderen externen Forschungsgruppen des Universitätsklinikums Frankfurt erhalten habe.

Die Möglichkeit, Standpunkte mit anderen Forschern zu teilen, verschiedene Möglichkeiten zur Beantwortung einer wissenschaftlichen Frage zu erlernen und Perspektiven zu vernetzen, war einer der besten Teile dieser Forschungserfahrung.

Teilen Sie Ihre Leidenschaft, teilen Sie Ihre Wissenschaft

 

Der Austausch von Ideen ist eine der besten Möglichkeiten, Ihr Wissen zu erweitern und Dinge aus einer anderen Perspektive zu betrachten. Während dieses Promotionsabenteuers hatte ich die herausfordernde Gelegenheit, meine Arbeit auf wissenschaftlichen Konferenzen in Glasgow (Großbritannien), Paris (Frankreich) und Leipzig (Deutschland) zu präsentieren und dabei großartige Beiträge von Experten auf dem Gebiet der Biologie zu erhalten. Außerdem hatte ich die erfreuliche Gelegenheit, meine Forschung mit einem begeisterten und wissenswilligen jungen Publikum eines Gymnasiums in Frankfurt (Deutschland) zu diskutieren.

The only way to do great work is to love what you do. If you haven’t found it yet keep looking. Don’t settle

-Steve Jobs

Bisher hat dieses Doktorandenkapitel viele herausfordernde und ermutigende Erfahrungen mit sich gebracht.  Ich freue mich darauf zu sehen, was in den nächsten Jahren kommen wird.

Bis zum nächsten Mal.

 

Diana Vaca