Massenspektrometer hilft Antibiotikaforschern

Wissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum erhalten technische Verstärkung für die Suche nach innovativer Antibiotika. Mit Hilfe eines Massenspektrometers werden Wirkmechanismen neuer Substanzen auf Proteinebene untersucht. „Die heute vorhandenen Antibiotika werden unter Umständen in fünf bis zehn Jahren aufgrund von Resistenzen nicht mehr wirksam sein“, sagt Julia Bandow, Juniorprofessorin am Institut für Mikrobielle Antibiotikaforschung. „Von der Entdeckung bis zur Zulassung eines solchen Medikaments vergehen etwa zehn bis 15 Jahre. Wir müssen die Forschung also jetzt anstoßen“, ergänzt die Biologin.

Reaktion der Bakterien geben Einblick
Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie und von den Universitäten in Bonn und Düsseldorf erforscht das Team, wie neue Antibiotika wirken und ob sie für menschliche Zellen unschädlich sind. Die Medikamente stören bestimmte Stoffwechselvorgänge in Bakterien. „Greift ein Antibiotikum zum Beispiel in die Fettsäureproduktion ein, versuchen die Bakterien dem entgegenzuwirken. Sie stellen dann mehr Enzyme her, die für die Fettsäureproduktion verantwortlich sind“, erklärt Bandow.

Die Biologen testen, welche Proteine Bakterien mit und ohne Antibiotikabehandlung produzieren. Oft sind nach der Medikamentengabe die Proteine von genau den Stoffwechselprozessen vermehrt zu finden, in die das Antibiotikum eingreift. So gibt die Reaktion der Bakterien wichtige Einblicke in die Wirkweise der Substanzen.

Art und Menge der gebildeten Proteine untersuchen die Wissenschaftler mit der Massenspektrometrie. Die gefundenen Proteinprofile vergleichen sie mit denen, die durch bereits bekannte Antibiotika ausgelöst werden. Ein neues Profil zeigt dabei einen neuen Wirkmechanismus an. „In diesem Projekt sind wir hauptsächlich auf der Suche nach Substanzen mit völlig neuen Wirkmechanismen. Aber auch Substanzen, die genauso wirken wie klinisch bereits genutzte Antibiotika, können sehr interessant sein – nämlich wenn es gegen sie keine Resistenzen gibt“, sagt Bandow.

Proteine identifizieren
Etwa 2000 verschiedene Proteine gibt es in einer Bakterienzelle. Für die Analyse spalten die Wissenschaftler sie in jeweils 20 bis 70 Bruchstücke (Peptide). Das ist nötig, da es wesentlich schwerer ist, ganze Proteine mit dem Massenspektrometer zu untersuchen. Im ersten Schritt bestimmt das Gerät die Masse jedes Peptids und kann so unterschiedliche Peptide auseinanderhalten. Anhand der räumlichen Struktur kann es sogar zwei Moleküle mit identischen Massen voneinander trennen. Denn stark geknäuelte Peptide fliegen in einem bestimmten Abschnitt des Massenspektrometers (Ionenmobilitätszelle) schneller durch ein verdichtetes Gas als wenig geknäuelte. Diese neue Funktion ist erst seit wenigen Monaten verfügbar.

Im zweiten Schritt fragmentiert das Gerät jedes Peptid in kürzere Peptide und einzelne Aminosäuren und ermittelt aufgrund ihrer Masse die genaue Aminosäuresequenz. Diese vergleicht eine Software dann mit der Gendatenbank des untersuchten Bakteriums. So kann sie ermitteln, aus welchen Proteinen die entschlüsselten Peptide stammen.