Bei neuartiger künstlicher Oberfläche lässt sich Bakterienanhaftung ein- und ausschalten

8. Dezember 2014, 18:07
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Vier Nanometer dünne Schicht soll klären helfen, wie Zucker und bakterielle Infektionen zusammenhängen

Kiel - Deutsche Forschuer haben eine künstliche Oberfläche entwickelt, auf der die Anhaftung von Escherichia-coli-Bakterien gesteuert werden kann. Die nur etwa vier Nanometer dünne Schicht imitiert den Zuckermantel (Glycokalyx) von Zellen, an den die Bakterien beispielsweise bei einer Infektion binden. Dieses Andocken lässt sich nun per Licht ein- und ausschalten. Damit sind die Wissenschafter einen wesentlichen Schritt näher an der Lösung der Frage, wie Zucker und bakterielle Infektionen zusammenhängen.

Die Bindung von Zellen an andere Zellen oder an Oberflächen ist lebenswichtig für Organismen, beispielsweise für die Entwicklung von inneren Organen und von Geweben. Aber auch an Krankheit und Infektionen sind solche Mechanismen beteiligt. Die im Experiment eingesetzten E. coli-Bakterien können Harnwegsinfektionen, Hirnhautentzündungen, Sepsis und weitere schwerwiegende Erkrankungen auslösen. Um diese Krankheiten verstehen und behandeln zu können, müssen Forscher die molekularen Vorgänge entschlüsseln, die es bakteriellen Zellen ermöglichen, an gesunde Wirtszellen anzudocken.

Räumliche Orientierung des Zuckers entscheidend

Häufig geschieht dies über Proteine, die nach einem komplizierten "Schlüssel-Schloss-Prinzip" mit Kohlenhydratstrukturen auf der Wirtszelloberfläche wechselwirken. Die nun von Wissenschaftern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und der Goethe-Universität Frankfurt präsentierte Studie zeigt erstmals, dass dafür die räumliche Ausrichtung der Kohlenhydratstrukturen entscheidend ist. In der natürlichen Glycokalyx, einer nur nanometerdünnen Mehrfachzucker-Schicht, die alle Zellen umgibt, sind die Verhältnisse allerdings noch zu komplex, um herauszufinden wie Proteine und Kohlenhydrate zueinanderfinden.

Thisbe K. Lindhorst, Chemikerin an der Uni Kiel, baut mit ihrem Team Moleküle, die, bestrahlt mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen, als biologische Schalter funktionieren. Die Forscher haben dabei ein System hergestellt, mit dem die Ausrichtung der Zucker-Andockpunkte und damit die Bindung von E. coli-Bakterien kontrolliert werden kann. Dazu versahen die Wissenschafter eine extrem dünne Goldoberfläche mit einem genau definierten Zuckermantel, der an Azobenzol gekoppelt ist. Das ist ein Kohlenwasserstoff, der eine Stickstoffbrücke enthält, die lichtgesteuert wie ein Gelenk funktioniert.

Kontrolliertes Andocken

Darüber lassen sich nun die Bindungseigenschaften des Zuckermantels schalten: Bestrahlen die Forschenden ihr System mit Licht einer Wellenlänge von 365 Nanometern, können sich erheblich weniger krankmachende Bakterienzellen an die künstliche Oberfläche anheften. Die Zuckermoleküle drehen sich dabei gewissermaßen von den Bakterien weg und können nicht mehr erkannt werden. Beim "Einschalten" wiederum mit 450 Nanometer langen Lichtwellen orientieren sich die Strukturen wieder derart, dass Bakterienzellen erneut andocken können. So lässt sich die Anhaftung von E. coli kontrollieren.

"Anhand unseres Modellsystems lassen sich Erkennungs- und Bindungseffekte der Glycokalyx sehr definiert und unter einem ganz neuartigen Blickwinkel untersuchen", meint Lindhorst. "Wenn wir lernen, die Glycokalyx in einem Zusammenhang von Gesundheit und Heilung zu beeinflussen, wird dies zu einer Revolution in der Medizinischen Chemie führen." (red, derStandard.at, 2. 12. 2014)

  • Die Rastertunnelmikroskopaufnahme zeigt eine Kultur von Escherichia Coli.
    foto: niaid

    Die Rastertunnelmikroskopaufnahme zeigt eine Kultur von Escherichia Coli.

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