Forschungspreisträger präsentiert Ergebnisse beim Tag der Forschung der Universität Paderborn
Antibiotikaresistente Keime sind weltweit für neun Prozent aller Todesfälle verantwortlich – Tendenz steigend. Damit stellen sie Mediziner*innen immer häufiger vor große Probleme. An dieser Stelle setzt ein Forschungsprojekt von PD Dr. Adrian Keller, Leiter der Arbeitsgruppe „Nanobiomaterials“ im Department Chemie an der Universität Paderborn, an. Sein Ziel ist es, bestehende Antibiotika mithilfe von DNA-Nanostrukturen zu modifizieren, um die Wirksamkeit von Medikamenten gegen Resistenzen wiederherzustellen. Vor zwei Jahren wurde Keller dafür mit dem Forschungspreis der Universität Paderborn ausgezeichnet. Jetzt hat er seine Ergebnisse beim Tag der Forschung präsentiert.
Baukunst mit dem Erbgut
Keller setzt auf eine besondere Methode – das sogenannte „DNA-Origami“. Dabei werden DNA-Stränge gezielt in beliebige dreidimensionale Strukturen – das können Dreiecke, Vierecke oder auch komplexere Strukturen sein – gefaltet, auf denen Wirkstoffe präzise angeordnet werden können. Hierzu koppeln die Wissenschaftler*innen die Moleküle des Antibiotikums Vancomycin und weitere molekulare Bestandteile an die DNA-Stränge, aus denen die Nanostrukturen aufgebaut werden. Vancomycin wird seit den 1980er Jahren gegen MRSA-Infektionen eingesetzt. Allerdings gibt es auch gegen dieses Antibiotikum multiresistente Krankheitserreger. „Mithilfe der DNA-Origami können wir neuartige Wirkstofftransportsysteme gestalten“, erklärt der Forschungspreisträger. Das Ergebnis: Die modifizierten Nanostrukturen haben sich in den Tests wie gewünscht an die Zellwand der Bakterien gebunden, wodurch der Aufbau der Zellwand geschädigt wird. Damit ist das Einsetzen einer wachstumshemmenden Wirkung in der Theorie möglich. Noch gibt es jedoch Hürden.
„Wir haben herausgefunden, dass der antimikrobielle Effekt stark von der Größe der verwendeten Nanostrukturen beeinflusst wird. Auch wenn unsere designten Strukturen an die Zielmoleküle binden, können sie aufgrund ihrer Größe nicht tief genug in die Zellwand vordringen, um das bakterielle Wachstum merklich zu hemmen. Diese wichtige Rolle der Strukturgröße wollen wir in zukünftigen Experimenten genauer untersuchen“, so Keller. In den Versuchen hat er zudem festgestellt, dass einige Bakterienspezies die DNA-Nanostrukturen zersetzen und als Nährstoffe verwenden können. „Beide Aspekte müssen – und können – beim Design von DNA-Nanostrukturen für zukünftige antimikrobielle Anwendungen berücksichtigt werden.“
Kooperationen mit anderen europäischen Partnern
Von den Forschungsergebnissen profitieren zukünftig alle Anwendungsbereiche, bei denen DNA-Nanostrukturen mit Bakterien in Kontakt kommen, von Medizin bis Biotechnologie. „Wir erweitern unsere Methode gerade auf andere antimikrobielle Moleküle, die mit der Zellmembran anstelle der Zellwand wechselwirken“, so Keller, der sein Wissen bereits mit anderen europäischen Partnerorganisationen aus Wissenschaft und Industrie wie dem Austrian Institute of Technology (AIT), der TU Dresden und dem Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie (IZI) in Leipzig teilt. Kooperationspartner*innen im estnischen Tartu nutzen die Vancomycin-DNA-Konjugate zudem, um mit Antibiotika befüllte Lipid-Partikel spezifisch an Bakterien zu binden.
