Das "gamma-Core" Motiv antifungaler Proteine aus Ascomyceten

Pilzinfektionen stellen ein großes Problem für unsere Gesundheit und Nahrungsmittelproduktion dar. Kleine, Cysteine-reiche, positive geladene antifungale Proteine (AFPs) aus Schimmelpilzen (aus der Gruppe der Ascomyceten) sind besonders geeignet, Infektionen von Pflanzen, Tieren und Menschen durch Pilze zu bekämpfen. Eine detaillierte Untersuchung der Struktur und Funktion dieser Moleküle ist essentiell für ihre potentielle Anwendung als neue antifungale Substanzen und in neuartigen Therapieansätzen. AFPs enthalten ein strukturell konserviertes Proteinmotiv, das dem Griechischen Buchstaben gleicht: das - Core Motiv. Seine Aminosäure-Sequenz ist evolutionär hoch konserviert ist. Dieser Umstand deutet auf eine zentrale Rolle des Motivs für die Struktur und Funktion von AFPs hin. Diesen Zusammenhang wollen wir in unserer Studie untersuchen. Unsere Hypothesen lauten: (1) Das -Core Motiv bestimmt die Wirkungsweise von AFPs; (2) die antifungale Funktion kann durch Modifikation der Aminosäure-Sequenz im -Core Motiv verbessert werden; (3) kurze, synthetisch hergestellte Peptide, die nur das -Core Motiv enthalten, sind per se antifungal aktiv; (4) diese Aktivität von synthetischen Peptiden kann durch gezielte Veränderung der Aminosäure-Zusammensetzung noch gesteigert werden; (5) AFPs und synthetische Peptide mit verbesserter Funktion sind ideale Biomoleküle, die gegen Pilzinfektionen eingesetzt werden können. Wir möchten unsere Hypothesen anhand zweier gut bekannter AFPs untersuchen: das PAF aus Penicillium chrysogenum und das NFAP aus Neosartorya fischeri. Wir planen, die Aminosäure-Sequenz der -Core Motive in PAF und NFAP zu verändern und die Auswirkung dieser Veränderung auf die Struktur und Funktion der beiden Proteine zu untersuchen. Eine Verbesserung der antifungalen Effizienz wird dabei angestrebt. Außerdem wollen wir neue kurze Peptide mit modifiziertem -Core Motiv konzipieren und synthetisieren, die eine gesteigerte Aktivität aufweisen. Eine detaillierte Analyse ihrer Funktion ist geplant. Schließlich ist es unser Ziel, anhand der AFP Varianten und synthetisch hergestellten Peptiden mit den besten Eigenschaften zu zeigen, dass diese Biomoleküle Pilzinfektionen von Getreide und eine damit verbundene Belastung unserer Nahrung durch Pilzgifte (Mykotoxine), sowie eine Infektion der menschlichen Haut durch Hautpilze (Dermatomykose) verhindern können. Dazu sollen Pflanzeninfektionsmodelle und Modelle der menschlichen Haut zur Anwendung kommen. Dieses Projekt ermöglicht es, wichtige neue Erkenntnisse über die strukturelle und funktionelle Rolle des konservierten -Motivs zu sammeln und ermöglicht erste Schritte hin zu einer biotechnologischen Anwendung dieser Moleküle, was weltweite sozio-ökonomische Auswirkung haben könnte.

Pilzinfektionen bei Menschen, Tieren und Pflanzen haben in den letzten Jahrzehnten dramatisch zugenommen. Zur Bekämpfung von Pilzinfektionen ist nur eine begrenzte Anzahl von zugelassenen Medikamenten verfügbar. Einige von ihnen haben schwerwiegende Nebenwirkungen, da die Zellstruktur und die Physiologie von Pilzen - da sie Eukaryonten sind - denen des Wirts ähneln. Außerdem entwickeln pathogene Pilze häufig Resistenzmechanismen, die dann die Medikamente zur Behandlung von Pilzinfektionen unwirksam werden lassen. Daher werden dringend neue antimykotische Substanzen mit neuen Wirkmechanismen benötigt, die vom infizierten Wirt gut vertragen werden. Schimmelpilze sind eine ergiebige Quelle für kleine, Cystein-reiche und kationische antimikrobielle Proteine (APs), die vielversprechende Kandidaten für neue antimykotische Strategien darstellen. Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, die strukturelle und funktionelle Natur der APs im Detail zu entschlüsseln, um ihr antimykotisches Potenzial auszunutzen und ihre Wirksamkeit durch gezieltes Design zu verbessern. Ziel dieses Projekts war es, die Rolle eines evolutionär konservierten Strukturmotivs (-Core) in der Struktur-Funktions-Beziehung von APs pilzlichen Ursprungs zu untersuchen. Der Austausch spezifischer Aminosäuren in -Core der antimykotischen Proteine PAF, PAFB und PAFC von P. chrysogenum sowie der antimykotischen Proteine NFAP und NFAP2 von Neosartorya fischeri ergab, dass dieses Motiv für die korrekte Faltung der APs wesentlich ist, was auch für die Proteinfunktion beeinflusst. Für eine optimale antimykotische Aktivität von APs ist die Ladungsverteilung an der Proteinoberfläche von entscheidender Bedeutung und garantiert die Interaktion der positiv geladenen APs mit der negativ geladenen Membran der Pilzzelle. Die Analyse der physikochemischen Eigenschaften und der antimykotischen Aktivität von chemisch synthetisierten kurzen Peptiden (Ps), die das -Core-Motiv und andere Teile der APs umspannen, hat gezeigt, dass dieses Motiv - je nach AP-Klassifizierung - die antimykotische Aktivität der APs bestimmt. APs und Ps wurden erfolgreich in In vitro- und In vivo-Testmodellen zur Vorbeugung oder Behandlung von Pilzinfektionen bei Pflanzen, Früchten und Tieren eingesetzt. Ein Durchbruch beim Screening von APs und Ps auf ihre Anwendbarkeit war die Verwendung von 3D-rekonstruierten menschlichen Hautmodellen, die dazu beitragen, die Züchtungskosten und die Zahl der Tierversuche zu verringern, ein Ansatz, der ethische, regulatorische, praktische oder wirtschaftliche Beschränkungen überwindet, die mit Tierversuchen verbunden sind. Unsere Studie könnte große sozioökonomische Auswirkungen auf das Leben der Menschen haben, da sie wesentlich zu einem umfassenden Verständnis der Struktur, Funktion und Anwendbarkeit von APs aus Schimmelpilzen und neu entwickelten Ps beiträgt, was den Weg zur Entwicklung neuer antimykotischer Strategien ebnen könnte.