LOEWE Zentrum für
Insektenbiotechnologie
& Bioressourcen

Antimikrobielle Wirkstoffe

Das Insektenreich hat im Laufe der Evolution nicht zuletzt deshalb einen so immensen Artenreichtum entwickelt, weil die Ausbildung eines effizienten Immunsystems ausreichenden Schutz gegen natürliche Feinde bietet und vielen Arten die Besiedelung auch extremer Lebensräume ermöglicht hat. Die Verteidigung gegen Mikroorganismen und Parasiten ist eine wesentliche Aufgabe des Immunsystems, der es durch die Produktion zahlreicher antimikrobieller Wirkstoffe nachkommt.

In der Medizin wird eine stetige Zunahme Antibiotika-resistenter Bakterien beobachtet, während neue, auf herkömmlichem Wege entwickelte Antibiotika aufgrund des hohen Zeit- und Kostenaufwandes nur in geringer Zahl zu Verfügung stehen. Antimikrobielle Peptide (AMPs) aus Insekten können möglicherweise als alternative Wirkstoffgruppe mit unterschiedlichsten Wirkmechanismen im Kampf gegen humane Pathogene genutzt werden. Neben der medizinischen Nutzung können AMPs aus Insekten beispielsweise auch im Pflanzenschutz eingesetzt werden, wo sie gegen phytopathogene Pilze sowie Schadinsekten wirken. Ein weiteres Ziel ist es, diese Wirkstoffe für die Konservierung von Lebensmitteln nutzbar zu machen.

Gegenstand unserer Forschung ist es, AMPs in Insekten zu identifizieren, die für die genannten Anwendungen in Frage kommen. Die Herstellung ausgewählter AMPs in rekombinanter Form ermöglicht im Folgenden die Untersuchung des Aktivitätsspektrums der Moleküle und ihrer Wirkmechanismen.

Rekombinante Herstellung, Aufreinigung und Testung antimikrobieller Peptide

Funktionsanalyse von X-Tox-Peptiden aus Schmetterlingen

Aufklärung der Wirkmechanismen antimikrobieller Peptide

Antimikrobielle Peptide und ihre Anwendung für die Kontrolle von Blattläusen


Rekombinante Herstellung, Aufreinigung und Testung antimikrobieller Peptide

Prof. Dr. Andreas Vilcinskas, Mitarbeiterin: MSc Anne Pöppel

Insekten produzieren im Rahmen der Immunabwehr eine Vielzahl antimikrobieller Peptide. Um deren Potential für die Bekämpfung humanpathogener Mikroorganismen untersuchen zu können, müssen die Peptide in ausreichenden Mengen hergestellt werden. Strukturell einfache Peptide, können in bakteriellen Expressionssystemen erzeugt werden, sofern sie das Bakterienwachstum nicht verhindern. Mit vergleichsweise geringem Aufwand kann man auf diese Weise hohe Proteinausbeuten erzielen. Für viele antimikrobielle Peptide sind bakterielle Expressionssysteme allerdings nur bedingt geeignet. Die antimikrobiellen Eigenschaften der Peptide können dafür verantwortlich sein, dass die Kultivierung der Wirtsbakterien unmöglich ist. Zusätzliche Schwierigkeiten treten auf, wenn die Peptide posttranslationale Modifikationen (wie z. B. die Ausbildung von Disulfidbrücken) erfordern. In solchen Fällen stellt die Proteinproduktion in Insektenzellen eine geeignete Alternative dar.

In der Projektgruppe „Bio-Ressourcen” des Fraunhofer IME sind für die Produktion antimikrobieller Peptide zwei Insektenzell-Expressionssysteme etabliert: Im Drosophila-Expressionssystem (DES) wird das interessierende Gen stabil in das Genom der Fliegenzellen integriert. Nach Aktivierung des Promotors wird das Gen transkribiert und das Protein produziert. Im Baculovirus-Expressionssystem (BEVS) werden insektenzellspezifische Viren eingesetzt, um das Peptidgen effizient in Schmetterlingszellen einzubringen. Der gewählte Promotor gewährleistet die starke Expression des Gens in der späten Phase des Infektionszyklus. In beiden Expressionssystemen werden die rekombinanten Proteine üblicherweise in das Kulturmedium abgegeben.

Aus dem Medium der Insektenzellkultur bzw. aus Bakterienlysat werden die Peptide mit verschiedenen chromatographischen Verfahren isoliert und gereinigt. Um das Aktivitätsspektrum der Peptide zu ermitteln, wird schließlich die Wirkung auf das Wachstumsverhalten verschiedener Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen und Pilze untersucht.


Funktionsanalyse von X-Tox-Peptiden aus Schmetterlingen

Dr. Mohammad Rahnamaeian

X-Tox-Peptide wurden bisher aus verschiedenen Insektengattungen, dabei aber nur aus Schmetterlingen aufgereinigt. Strukturell bestehen sie (soweit bekannt) aus 4–11 Cystein-stabilisierten αβ-Motiven. In der Terminologie wird das X jeweils durch die tatsächliche Anzahl dieser Motive ersetzt. Obwohl die Expression der X-Tox-Gene durch mikrobielle Stimuli stark induziert wird, zeigen die Peptide offenbar keine antimikrobielle Aktivität. Um diese Peptide zu charakterisieren, werden sie zunächst rekombinant in Insektenzelllinien hergestellt und aus dem Kulturüberstand aufgereinigt. Anschließend wird die biologische Aktivität der X-Tox-Peptide in Insektenmodellen untersucht. Auf die Strukturähnlichkeit mit Skorpiongiften gründet die Annahme, dass X-Tox-Peptide die Funktion von Ionenkanälen von Schmetterlingsparasitoiden stören. Diese Hypothese wird zurzeit an verschiedenen Modellinsekten getestet.

Aufklärung der Wirkmechanismen antimikrobieller Peptide

Dr. Mohammad Rahnamaeian, Mitarbeiter: MSc Mohammad Reza Bolouri Moghaddam

Antimikrobielle Peptide (AMPs) verschiedener Klassen tragen durch ihre Spezifität für ganz unterschiedliche Zielmoleküle zur Immunantwort eines Wirtstieres auf eine mikrobielle Infektion bei. Darüber hinaus haben sie immunmodulatorische Funktionen. Über verschiedene Wirkmechanismen stören AMPs z. B. transmembrane Ionengradienten, sie inhibieren die Protein- und/oder DNA-Synthese, permeabilisieren und zerstören Membranen, induzieren die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies, etc. Insofern hilft uns die Identifizierung der Zielproteine von AMPs dabei, die Pathophysiologie von Krankheiten besser zu verstehen. Andererseits trägt die Aufklärung der Wirkmechanismen von AMPs dazu bei, effiziente Leitstrukturen gegen multiresistente Supermikroben zu entwickeln. Zu den Methoden, die wir in unserem Labor einsetzen, um Zielproteine verschiedener AMPs zu identifizieren, gehören u. a. Mikroskopie, biochemische Analyseverfahren und das Yeast Two-Hybrid System.


Antimikrobielle Peptide und ihre Anwendung für die Kontrolle von Blattläusen

Prof. Dr. Andreas Vilcinskas

Blattläuse nehmen Nahrung aus den Siebelementen der Pflanzen auf. Da der Siebelementsaft arm an essentiellen Aminosäuren ist, besteht eine enge Symbiose mit Bakterien. Hierbei sind vor allem die endosymbiontischen Bakterien der Spezies Buchnera aphidicola von großer Bedeutung, da diese in der Lage sind, nicht-essentielle in essentielle Aminosäuren umzuwandeln. Eliminiert man diese endosymbiontischen Bakterien durch Fütterung von Antibiotika, so reduziert sich die Fitness der Blattläuse (Wachstumsrate, Entwicklung, Reproduktion).

Ziel der Arbeit ist es, einen solchen Effekt über die Fütterung von antimikrobiellen Peptiden zu erreichen. Die eingeschränkte Fitness soll dazu führen, dass der Befall von Nutzpflanzen reduziert und so die ökonomische Schadschwelle nicht überschritten wird. Dies führt zu einem verringerten Einsatz von Insektiziden.