ArbeitsgruppenAG Carlomagno
Nicht-Ribosomale Peptidsynthese

Non ribosomal peptide synthesis

NICHT-RIBOSOMALE PEPTIDE

 

Der rasche Aufstieg von arzneimittelresistenten Bakterienstämmen hat es zwingend erforderlich gemacht, nach neuen antibakteriellen Wirkstoffen und vor allem nach kostengünstigeren Methoden zu deren Herstellung zu suchen. Die derzeitige Pipeline für die Herstellung chemischer Wirkstoffe umfasst mindestens ein Jahrzehnt an Arbeitskraft und Investitionen in Millionenhöhe. Die Natur verfügt jedoch über ein eigenes Repertoire an hoch-wirksamen Therapeutika, die sogenannten Nicht-ribosomalen Peptide (Non-ribosomal Peptids, NRPs). Diese Peptide weisen diverse pharmazeutische Aktivitäten auf, beispielsweise wirken sie antibakteriell und als Antitumormittel. Bekannte Beispiele sind hierbei das Penicillin, das Gramicidin und Cyclosporin.

Die diversen Strukturen der NRPs bilden vielversprechende Gerüste für die Entwicklung neuer und potenter Therapeutika. Wie der Name vermuten lässt, werden diese Peptide nicht durch die ribosomale Maschinerie synthetisiert, sondern durch elegante molekulare Fabriken, die als nicht-ribosomale Peptidsynthasen oder NRPS bezeichnet werden. Diese Mega-Dalton-Proteinkomplexe haben eine modulare Architektur und arbeiten in einer fließbandartigen Weise. Jedes Modul bindet einen spezifischen Baustein der entstehenden Kette, und jedes Modul besteht aus Domänen, die eine bestimmte Reaktion im Reaktionsweg katalysieren.

Die Kerndomänen sind die Adenylierungs-, Kondensations- und Thioesterase-Domänen, die die Substrataufnahme, die Ausbildung der Peptidbindung und die Produktfreisetzung katalysieren. Noch wichtiger ist das Peptidyl-carrier-Protein (PCP), welches als Bote fungiert und die wachsende Peptidkette über einen kovalent gebundenen Phosphopantetheinyl-Arm an die verschiedenen Reaktionszentren und das nachgeschaltete Modul liefert.

Abb. 1 Schematische Darstellung der wichtigsten Schritte der fließbandartigen Synthese der nicht-ribosomalen Peptide durch die verschiedenen Module der NRPS Enzyme. Bilder angefertigt von Dr. Megha Karanth.

Strukturinformationen sind für einige der einzelnen Domänen und einige wenige der interagierenden Partner verfügbar, die einige Teilaspekte des Reaktionsweges erfassen. Alle diese Studien betonen, dass die Flexibilität der Konformation für die katalytische Aktivität von grundlegender Bedeutung ist. Einige entscheidende mechanistische Merkmale sind jedoch immer noch wenig erforscht, wie z. B. die strukturelle Basis für die Interaktion zwischen den NRPS-Modulen, die Details der Peptidbindungsbildung durch die Kondensationsreaktion und die Fähigkeit der Messenger-Peptidyl-Carrier-Proteine mit mehreren Partnern zu interagieren.

Derzeit verwenden wir einen integrativen Ansatz der Strukturbiologie, bei dem wir Spitzentechniken in der flüssig Phasen-NMR mit Röntgenkristallographie kombinieren, und mit einer Vielzahl an biophysikalischer Techniken wie Massenspektrometrie, Kleinwinkelstreuung in Lösung (SAXS, SANS und MALS) und Computermodellierung zusammenbringen, um diese wichtigen Fragen zu beantworten. Wir hoffen, dass unsere Forschung die Entwicklung von NRPS-Enzyme ermöglichen wird, die strukturell und chemisch optimierte Therapeutika liefern können.