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Bekämpfung tödlicher Krankheitserreger durch Hemmung der Vitaminaufnahme

Tödliche Krankheitserreger entwickeln weiterhin Resistenzen gegen verfügbare Antibiotika. Deshalb gilt es, neue Lösungen zu finden. Das Projekt VitaminBlock erforschte eine neuartige potenzielle Waffe im Kampf gegen bakterielle Infektionen.

Gesundheit

Die gefährlichen Mikroorganismen, die für viele Infektionen verantwortlich sind, entwickeln die Fähigkeit, antimikrobiellen Behandlungen, insbesondere Antibiotika, standhalten zu können. Die Zahl der jährlichen Todesfälle, die direkt auf antimikrobielle Resistenzen zurückzuführen sind, beläuft sich auf schätzungsweise 25 000 Fälle in der EU, die jährlich zu Kosten von 1,5 Mrd. EUR führen. Auf ihrer Suche nach neuen Antibiotika setzte sich das vom europäischen Forschungsrat unterstützte Projekt VitaminBlock das Ziel, Schwachpunkte in Bakterienzellen zu finden, die mögliche Angriffspunkte bieten könnten. Die Forschungsgruppe ermittelte und charakterisierte Membranproteinkomplexe, die ausschließlich in Bakterien vorkommen. Diese sind für die Aufnahme verschiedener B-Vitamine verantwortlich, welche für das Wachstum der Bakterien unverzichtbar sind. „Wir haben Kenntnisse darüber, wie diese Proteinkomplexe die Aufnahme lebensnotwendiger Vitamine katalysieren. Für manche Krankheitserreger liegen uns schon Hinweise auf potenzielle Ziele vor“, so Projektkoordinator Dirk Slotboom von der Universität Groningen, an der das Projekt durchgeführt wurde. „Aufbauend auf unseren bahnbrechenden Kristallstrukturen konzipierten und synthetisierten wir kleine Moleküle, welche die Vitaminaufnahme der Bakterien hemmen.“

Sand ins Getriebe

Im Rahmen des neuartigen Ansatzes, den das Projekt VitaminBlock verfolgt, ermittelt und untersucht die Forschungsgruppe einen Vorgang, der für die Bakterien lebensnotwendig ist. Eine Unterbindung dieses Vorgangs könnte die Ausbreitung von Infektionen verhindern. Für grampositive Krankheitserreger wie Staphylococcus aureus und Streptococcus pneumoniae ermittelte die Gruppe Proteine, welche die einzige Möglichkeit für diese Bakterien sind, Vitamine aufzunehmen. Ohne die Vitamine würden die Krankheitserreger sterben. Nachdem die molekularen Bestandteile dieser Bakterienzellen, in diesem Fall eine Proteinklasse namens ABC-Transporter, ermittelt wurden, versicherten sich die Forschenden, dass menschliche Zellen keine ähnlichen Proteine verwenden, da dies möglicherweise das Risiko von Nebenwirkungen erhöhen könnte. „Glücklicherweise fanden wir heraus, dass die ABC-Transporter nur in einer begrenzten Anzahl Bakterien vorkommen. Unser Ziel ist es, Antibiotika zu finden, die Krankheitserreger spezifisch beeinträchtigen und keine ‚guten‘ Bakterien in unserem Mikrobiom“, erläutert Slotboom. Das Team erstellte 3D-Kristallmodelle dieser ABC-Transporter. Kristallstrukturen werden üblicherweise verwendet, um detaillierte Kenntnisse über die Atomstruktur von Biomolekülen wie Proteinen zu liefern. Sie helfen Forschenden, die mechanischen Eigenschaften der Proteinfunktionen besser zu verstehen und können als Vorlagen für die Entwicklung kleiner molekularer Wirkstoffe dienen. Die Forschungsgruppe ermittelte mehrere Gruppen kleiner Moleküle, welche die Funktion der ABC-Transporter für den Transport von Vitaminen hemmen. „Wir entwickelten kleine Molekülbestandteile, die das Zielprotein daran hinderten, Vitamine aufzunehmen“, so Slotboom weiter. „Wir gehen davon aus, dass diese Moleküle Bewegungen innerhalb der Proteine verhindern, die notwendig sind, um Vitamine aus der Umgebung in die Bakterienzelle einzuführen.“ Die Forschenden testeten Dutzende kleine Molekülbestandteile, um wirksamere zu finden. Die ausgewählten Bestandteile verstärkten zwar die Wirksamkeit, doch weitere Forschungsarbeiten sind nötig, um sie weiter zu verbessern.

Ein Wettlauf mit der Zeit

Die Überwindung antimikrobieller Resistenzen steht auf der Liste der globalen Gesundheitsprioritäten der Weltgesundheitsorganisation. Es werden dringend neue Antibiotika benötigt, nicht nur im Kampf gegen Infektionskrankheiten, sondern auch, damit medizinische Eingriffe wie Operationen und Chemotherapie weiterhin sicher durchgeführt werden können. Da der Welt in rasendem Tempo die Antibiotika ausgehen, ist deren stetige Weiterentwicklung eine Voraussetzung dafür, aufkommende Resistenzen bewältigen zu können. Weitere Maßnahmen umfassen beispielsweise die umsichtige Anwendung bestehender Antibiotika. Da ein Kapitalrückfluss jedoch unsicher ist, zögern Arzneimittelunternehmen bei der Entwicklung kostspieliger antibiotischer Wirkstoffe. Auch das Bewusstsein, dass die Wirkstoffresistenzen nach einiger Zeit wieder auftreten werden, schreckt vor Investitionen ab. „Vielversprechende Forschung auf diesem Gebiet erfordert stetige Bemühungen. Es werden strukturelle Finanzmittel benötigt und in unserem Fall werden mehr Finanzmittel dazu beitragen, dass wir die Wirksamkeit unserer anfänglich gefundenen Moleküle verbessern und neue Zielstrukturen für Antibiotika finden“, so Slotboom.

Schlüsselbegriffe

VitaminBlock, Antibiotikaresistenz, Bakterien, Krankheitserreger, B-Vitamine, Mikroorganismus, Moleküle, Infektionskrankheit, 3D-Kristallmodelle, ABC-Transporter, Proteinkomplexe

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