Identifying Multitargeting Inhibitors against Targets Involved in the Quorum-Sensing Pathway of Pseudomonas aeruginosa

Bakterien sind keine einsamen Wanderer; sie sind soziale Geschöpfe, die kommunizieren, um ihr Verhalten zu koordinieren. Wenn eine Population von Bakterien dicht genug wächst, setzen sie chemische Signale frei, die wie eine Volkszählung wirken und jeder Zelle in der Gruppe mitteilen, wie viele Nachbarn vorhanden sind. Soblich eine kritische Schwelle erreicht ist, schaltet die gesamte Gemeinschaft ein kollektives Programm ein. Im Fall von Pseudomonas aeruginosa, einem häufigen und gefährlichen Bakterium, löst dieser Wechsel die Produktion von Toxinen und den Aufbau einer schützenden Schleikschicht namens Biofilm aus. Dieser koordinierte Angriff macht die Bakterien unglaublich schwer behandelbar, da der Biofilm sie vor Antibiotika und dem Immunsystem abschirmt. Seit Jahrzehnten versuchen Ärzte, diese Bakterien mit herkömmlichen Antibiotika zu töten, aber die Mikroben haben sich entwickelt, um diesen Waffen zu widerstehen, oft indem sie die Medikamente aus der Zelle pumpen oder ihre interne Maschinerie verändern. Wissenschaftler suchen nun nach einer anderen Strategie: Anstatt zu versuchen, die Bakterien zu töten, wollen sie ihr Gespräch zum Schweigen bringen. Wenn die Bakterien nicht kommunizieren können, können sie ihren Angriff nicht organisieren und werden wieder verwundbar.

Die Herausforderung bei diesem Ansatz besteht darin, dass Pseudomonas aeruginosa sich nicht nur auf einen Kommunikationskanal verlässt. Es nutzt ein komplexes Netzwerk aus vier miteinander verbundener Signalsysteme, von denen jedes über seinen eigenen Satz chemischer Botenstoffe und Empfänger verfügt. Wenn ein Medikament nur einen Empfänger blockiert, kann das Bakterium einfach zu einem anderen Kanal wechseln, um weiter zu kommunizieren, was die Behandlung wirkungslos macht. Um dies zu überwinden, benötigten Forscher einen Weg, das gesamte Netzwerk gleichzeitig zu stören. Ein Team von Wissenschaftlern am Indraprastha Institute of Information Technology in Delhi setzte sich zum Ziel, natürliche Verbindungen zu finden, die als Multitarget-Inhibitoren wirken können – das heißt, ein einzelnes Molekül, das in der Lage ist, mehrere Teile des bakteriellen Kommunikationssystems gleichzeitig zu blockieren. Sie wandten sich einer riesigen digitalen Bibliothek chemischer Strukturen zu, die aus indischen Heilpflanzen gewonnen wurden, und suchten nach der Nadel im Heuhaufen, die das Bakterium in seinem Lauf stoppen konnte.

Die Forscher begannen damit, eine digitale Karte des bakteriellen Kommunikationsnetzwerks zu erstellen. Sie identifizierten elf Schlüsselproteine, die als Empfänger und Prozessoren für die vier verschiedenen Signalsysteme dienen. Da die physischen Strukturen einiger dieser Proteine noch nie in einem Labor erfasst worden waren, nutzte das Team Computermodelle, um genaue dreidimensionale Repliken basierend auf ihren genetischen Bauplänen zu konstruieren. Anschließend nahmen sie eine massive Sammlung von fast achtzehntausend natürlichen Verbindungen aus der Datenbank „Indian Medicinal Plants, Phytochemistry and Therapeutics“ und unterzogen sie einem virtuellen Screening-Prozess. Dies war vergleichbar mit dem Testen jedes Schlüssels an einem riesigen Schlüsselbund gegen ein komplexes Schloss mit elf verschiedenen Stiften, wobei nach Schlüsseln gesucht wurde, die mehr als ein Schloss gleichzeitig drehen konnten. Das Ziel war es, pflanzliche Moleküle zu finden, die fest an diese bakteriellen Proteine binden und deren Funktion verhindern können.

Aus diesem massiven Screening gingen zwei natürliche Verbindungen als vielversprechendste Kandidaten hervor. Die erste war Calamansanin, eine Art phenolischer Stoff, und die zweite war Clivimin, ein Alkaloid. Beide Moleküle zeigten die Fähigkeit, an acht verschiedene Ziele innerhalb des bakteriellen Kommunikationsnetzwerks zu binden. Um sicherzustellen, dass diese Ergebnisse nicht nur ein Zufall des Computermodells waren, unterzogen die Forscher die beiden Verbindungen strengen Tests mittels molekulardynamischer Simulationen. Sie beobachteten, wie die Verbindungen über hunderte Millionen simulierte Schritte hinweg mit den bakteriellen Proteinen interagierten und ob die Bindungen fest hielten oder auseinanderfielen. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl Calamansanin als auch Clivimin stabile, langanhaltende Verbindungen mit den bakteriellen Zielen eingingen. Sie hafteten nicht nur an der Oberfläche, sondern setzten sich in die aktiven Taschen der Proteine, wodurch sie die natürlichen Signale, die die Bakterien zur Koordination ihres Angriffs benötigten, effektiv blockierten.

Die Studie ging tiefer, um zu verstehen, wie genau diese Moleküle festhielten. Durch die Analyse der Energie der Interaktionen fanden die Forscher heraus, dass die Verbindungen durch eine Kombination aus elektrischen Kräften und physischem Kontakt mit den Proteinoberflächen an Ort und Stelle gehalten wurden. Die Simulationen zeigten, dass die bakteriellen Proteine stabil blieben und sich nicht drastisch veränderten oder verformten, wenn die Verbindungen gebunden waren, was darauf hindeutet, dass die Inhibitoren ihre Aufgabe erfüllten, ohne die Proteinstruktur selbst zu zerstören. Eines der Proteine, PqsH, zeigte etwas mehr Flexibilität als die anderen, blieb aber dennoch sicher gebunden. Die Forscher überprüften auch das Sicherheitsprofil dieser Verbindungen und untersuchten, wie sie sich im menschlichen Körper verhalten könnten. Sie fanden heraus, dass beide Moleküle Eigenschaften besaßen, die darauf hindeuteten, dass sie vom Körper aufgenommen werden könnten und wahrscheinlich keine unmittelbare Toxizität verursachen würden, obwohl sie die Barriere zum Gehirn möglicherweise nicht leicht überwinden könnten.

Obwohl die Computersimulationen starke Beweise lieferten, wiesen die Forscher vorsichtig darauf hin, dass diese Ergebnisse derzeit auf den digitalen Bereich beschränkt sind. Die Studie zeigt, dass diese natürlichen Verbindungen das theoretische Potenzial haben, als wirksame Antivirulenz-Wirkstoffe zu fungieren, die in der Lage sind, das komplexe soziale Netzwerk eines antibiotikaresistenten Bakteriums zu stören. Die Arbeit unterstreicht den unerschlossenen Wert traditioneller Heilpflanzen und zeigt, dass die Natur die Schlüssel zur Lösung moderner Probleme wie der Antibiotikaresistenz bereithalten kann. Das Team kam zu dem Schluss, dass es durch die gleichzeitige Zielsetzung auf mehrere Teile des bakteriellen Kommunikationssystems möglich ist, die Bildung von Biofilmen und die Freisetzung von Toxinen zu verhindern, was einen neuen Weg im Kampf gegen Supererreger eröffnet. Zukünftige Arbeiten werden notwendig sein, um diese Verbindungen in realen Laborexperimenten zu testen, um zu bestätigen, dass sie die Bakterien in einem lebenden System stoppen können, aber die Computermodelle haben einen klaren und überzeugenden Ausgangspunkt für diesen neuen Ansatz geliefert.