{"id":668,"date":"2022-11-13T10:16:07","date_gmt":"2022-11-13T10:16:07","guid":{"rendered":"https:\/\/genawif.com\/?post_type=news&p=668"},"modified":"2023-02-08T13:36:20","modified_gmt":"2023-02-08T13:36:20","slug":"allicin-from-garlic-inhibits-the-essential-bacterial-enzyme-dna-gyrase-a-common-target-for-medical-antibiotics","status":"publish","type":"news","link":"https:\/\/genawif.com\/de\/news\/allicin-from-garlic-inhibits-the-essential-bacterial-enzyme-dna-gyrase-a-common-target-for-medical-antibiotics\/","title":{"rendered":"Allicin aus Knoblauch inhibiert das essentielle bakterielle\nEnzym DNA Gyrase, ein h\u00e4ufiges Ziel medizinischer\nAntibiotika"},"content":{"rendered":"

F\u00fcr nicht-fachkundige Leser wird empfohlen, zuerst einen Blick auf unseren Artikel \u201eAuf die Gr\u00f6\u00dfe kommt es an \u2013 die Notwendigkeit der Umstrukturierung von DNA\u201c zu werfen. Dort werden die Hintergr\u00fcnde erl\u00e4utert, warum das Verpacken und Entpacken von DNA ein lebenswichtiger Prozess ist. Hierzu wird die DNA-Gr\u00f6\u00dfe des Bakteriums <\/em>Escherichia coli mit seiner Zellgr\u00f6\u00dfe verglichen und es wird ein simples Modell der DNA-Verpackung erkl\u00e4rt, welches man zuhause mit etwas Basteln nachstellen kann. Zuletzt wird dort erl\u00e4utert, wie die Aktivit\u00e4t DNA-verpackender und entpackender Enzyme mit Hilfe der Gelelektrophorese-Technik untersucht werden kann. Diese Technik und deren Anwendung f\u00fcr die Analytik der DNA Gyrase-Aktivit\u00e4t stellt einen wichtigen Teil in dem nun folgenden Artikel dar.<\/em><\/p>\n\n\n\n

Zusammenfassung<\/h3>\n\n\n\n

Das essentielle bakterielle Enzym DNA Gyrase ist ein wichtiges Ziel f\u00fcr medizinische Antibiotika. Dieses Enzym ist an der Verpackung von DNA in eine kompaktere Gr\u00f6\u00dfe innerhalb der Zelle beteiligt, wodurch es in die Prozesse der DNA- und Zellreplikation involviert wird. Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass der Naturstoff Allicin aus Knoblauch ein potenter DNA Gyrase-Hemmer ist, der zudem in vergleichbaren Konzentrationen wirkt wie das Antibiotikum Nalidixins\u00e4ure. Allicin ist eine schwefelhaltige Abwehrsubstanz aus Knoblauch, die bei Verletzung von Knoblauch synthetisiert wird, und welche f\u00fcr das typische Knoblaucharoma verantwortlich ist.<\/p>\n\n\n\n

Abschnitt 1 \u2013 Die bakterielle DNA Gyrase ist ein Ziel f\u00fcr Antibiotika<\/h3>\n\n\n\n

Bakterien werden aufgrund der Organisation ihrer Zellen auch als Prokaryoten bezeichnet, und medizinische Antibiotika greifen z.B. die prokaryotische Protein- oder DNA-Synthese mit einer hohen Zielspezifit\u00e4t an. Hierdurch wird erreicht, dass \u00e4hnliche Prozesse in eukaryotischen Zellen, wie z.B. tierischen oder menschlichen Zellen, nicht oder nur sehr schwach beeintr\u00e4chtigt werden. \nDies gestaltet sich manchmal schwierig, da die Mitochondrien, die uns mit Energie versorgen und deshalb als die Kraftwerke unserer Zellen bezeichnet werden, z.B. bakteriellen Ursprungs sind. Sie haben noch Teile der Protein- und DNA-Synthese mit ihren Vorfahren gemeinsam, weshalb die Mitochondrien auch f\u00fcr prokaryotisch wirksame Antibiotika anf\u00e4llig sein k\u00f6nnen 1,2<\/sup>.<\/p>\n\n\n\n

Ein ber\u00fchmtes Bakterien-spezifisch wirkendes Antibiotikum ist z.B. das Penicillin, welches von einigen Pilzen des Genus Penicillium<\/em>gebildet wird, und welches von Alexander Fleming im Jahre 1929 beschrieben wurde 3<\/sup>. Der Wirkungsmechanismus von Penicillin ist die Hemmung der Zellwandsynthese bei vielen Bakterien 4\u20136<\/sup>Eine Folge des Einsatzes von Antibiotika ist die Entwicklung von Antibiotika-Resistenzen 7<\/sup>, weshalb es wichtig ist, ein Arsenal verschiedener Antibiotika mit unterschiedlichen Wirkmechanismen zur Verf\u00fcgung zu haben, um dagegen gewappnet zu sein.<\/p>\n\n\n\n

Ein lebensnotwendiger und ebenfalls Bakterien-spezifischer Faktor f\u00fcr die DNA-Replikation von Bakterien ist das Enzym DNA Gyrase 8<\/sup>. Die Gyrase geh\u00f6rt zu der sogenannten Topoisomerase-Proteinfamilie, deren Familienmitglieder an der Verpackung (Kondensation) und Entpackung (De-Kondensation) von DNA beteiligt sind 9<\/sup>.<\/p>\n\n\n\n

Abschnitt\n2\n\u2013\nAllicin aus Knoblauch inhibiert die DNA Gyrase Aktivit\u00e4t<\/h3>\n\n\n\n

Ein effektiver DNA Gyrase Hemmer ist Nalidixins\u00e4ure (Abbildung 1), eine Substanz rein chemischen Ursprungs, welche den ersten Stoff der sogenannten Quinolone-Antibiotika-Klasse darstellte 10<\/sup>.<\/p>\n\n\n\n

\"Chemical
Abbildung 1: Die chemischen Strukturen von Nalidixins\u00e4ure und Allicin. Nalidixins\u00e4ure ist eine rein chemisch synthetisierte Verbindung. Allicin ist ein nat\u00fcrliches Antibiotikum aus Knoblauch (Allium sativum), welches f\u00fcr den typischen Geruch von frisch geschnittenem Knoblauch verantwortlich ist. Reines Allicin kann auch chemisch synthetisiert werden.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

In 2020 wurde eine Studie von Jana Foerster (geb. Reiter) und Kollegen \u00fcber die Hemmung der DNA Gyrase durch den Naturstoff Allicin ver\u00f6ffentlicht 11<\/sup>, einer nat\u00fcrlichen Schwefelverbindung aus Knoblauch (Abbildung 1). Allicin ist ein starkes und zugleich fl\u00fcchtiges Antibiotikum, welches durch die Verletzung von Knoblauch freigesetzt wird, und das f\u00fcr den typischen Geruch von frisch geschnittenem oder gepresstem Knoblauch verantwortlich ist. \nIm Vergleich zu anderen Antibiotika wie z.B. Penicillin oder Nalidixins\u00e4ure, welche spezifische Angriffsziele in der Zelle haben, greift Allicin viele unterschiedliche Ziele an, da es mit der ungesch\u00fctzten Thiol-Gruppe der Aminos\u00e4ure Cystein reagiert, welche essentiell f\u00fcr die Struktur und die Aktivit\u00e4t vieler Enzyme ist 12,13<\/sup>.<\/p>\n\n\n\n

Sobald Allicin mit einer Thiol-Gruppe reagiert, wird diese chemisch oxidiert und es wird eine sogenannte Allyl-Gruppe hinzugef\u00fcgt, sodass anschlie\u00dfend keine freie Thiol-Gruppe mehr vorliegt (Abbildung 2). Die Addition der Allyl-Gruppe erh\u00f6ht die Masse des Proteins, und diese Massendifferenz zwischen nicht-allyliertem Protein und allyliertem Protein wurde durch Foerster (geb. Reiter) und Kollegen genutzt, um zu untersuchen, welche Proteine in Pseudomonas<\/em> Bakterien durch Allicin oxidiert werden 11<\/sup>.<\/p>\n\n\n\n

\"Allicin
Abbildung 2: Allicin reagiert mit Thiol-Gruppen von Biomolek\u00fclen. In diesem Beispiel reagiert Allicin mit den frei verf\u00fcgbaren Thiol-Gruppen (-SH) auf der Oberfl\u00e4che der Proteine. Ein Molek\u00fcl Allicin kann zwei Thiol-Gruppen thioallylieren, entweder von demselben oder von zwei unterschiedlichen Biomolek\u00fclen. Die molekulare Masse von Proteinen erh\u00f6ht sich durch die Addition der Allyl-Gruppen (rot). Diese Masse-Zunahme kann durch massenspektrometrische Verfahren analysiert werden, um die spezifischen Proteine sowie die Menge der oxidierten Proteine durch Allicin-Behandlung zu identifizieren.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

In der Studie wurde au\u00dferdem nach potentiellen Resistenzmechanismen gegen Allicin gesucht, indem die thioallylierten Proteine des vom Knoblauch isolierten Pseudomonas fluorescens<\/em> Allicin Resistant-1 (Pf<\/em>AR-1) mit seinem nahe verwandten aber weniger Allicin-resistenten P. fluorescens<\/em> Pf<\/em>0-1 11<\/sup>verglichen wurden. Die Arbeitshypothese war, dass Proteine, die verh\u00e4ltnism\u00e4\u00dfig weniger durch Allicin in Pf<\/em>AR-1 thioallyliert werden, m\u00f6glicherweise einen wichtigen Resistenzfaktor gegen Allicin darstellen.<\/p>\n\n\n\n

Die Analyse der Proteine von PfAR-1 und Pf0-1 vor- und nach Allicin-Behandlung erfolgte mit der von Professor Lars Leichert und Kollegen entwickelten OxiCAT Methode 14<\/sup>, bei der allylierte und nicht-allylierte Proteine durch unterschiedliche Isotopen markiert- und durch eine anschlie\u00dfende Massenanalytik genau identifiziert werden k\u00f6nnen. In diesem ersten Teil der Studie von Foerster (geb. Reiter) und Kollegen wurde die Proteinuntereinheit A der DNA Gyrase (GyrA) als wichtiger Kandidat identifiziert, da f\u00fcr GyrA ein signifikanter Unterschied im Grad der Oxidation durch Allicin zwischen beiden Bakterienst\u00e4mmen beobachtet wurde. In Pf0-1 erh\u00f6hte sich die Menge an oxidiertem GyrA Protein von 6,3% auf 56,1%, wohingegen f\u00fcr das GyrA Protein in PfAR-1 nur eine Zunahme in der Oxidation von 6,5% auf 10,8% beobachtet wurde. Die Schlussfolgerung dieser Daten war, dass 49,8% aller GyrA Proteine in Pf0-1 durch Allicin oxidiert wurden, aber nur 4,3% aller GyrA Proteine in PfAR-1 11<\/sup>.<\/p>\n\n\n\n

Da die Allylierung des GyrA Proteins in Pf<\/em>0-1 nicht per se den Schluss zul\u00e4sst, dass hierdurch die Gyrase auch in ihrer Aktivit\u00e4t beeintr\u00e4chtigt w\u00fcrde, wurde die Aktivit\u00e4t der DNA Gyrase mit- und ohne Allicin Behandlung in einem enzymatischen Assay untersucht (Abbildung 3).<\/p>\n\n\n\n

\"Nalidixic
Abbildung 3: Nalidixins\u00e4ure als auch Allicin inhibieren die DNA Gyrase Aktivit\u00e4t. Die Abbildung stellt eine Zusammenfassung einiger Ergebnisse von Foerster (geb. Reiter) und Kollegen von 2020 dar 11. Plasmid DNA kann leicht aus E. coli Fl\u00fcssigkultur in gro\u00dfen Mengen isoliert werden. (1.) Die Plasmid DNA (hier: pUC19 Plasmid) liegt nach der Isolation gr\u00f6\u00dftenteils als supercoiled DNA vor. (2.) Die isolierte Plasmid DNA kann durch das Enzym DNA Topoisomerase I komplett in eine relaxierte und damit weniger kompakte Struktur \u00fcberf\u00fchrt werden. (3.) Die DNA Gyrase konvertiert diese DNA in einem zweiten Schritt zur\u00fcck in die supercoiled Struktur. (4.) Da relaxierte und supercoiled DNA durch eine Agarose-Gelelektrophorese anhand der Kompaktheit ihrer Struktur unterschieden werden k\u00f6nnen, kann die Wirkung von DNA Gyrase Hemmern untersucht werden. Das Kochen der DNA Gyrase dient als Kontrolle f\u00fcr inaktivierte DNA Gyrase und f\u00fcr das Funktionsprinzips des Assays. In der Studie von Foerster (geb. Reiter) und Kollegen konnte durch diesen Assay beobachtet werden, dass Nalidixins\u00e4ure als auch Allicin die DNA Gyrase in Abh\u00e4ngigkeit der eingesetzten Stoffkonzentration hemmen.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Zun\u00e4chst wurde extrahierte pUC19-Plasmid DNA isoliert und mit Hilfe der Topoisomerase I komplett entpackt (relaxiert). Das relaxierte Plasmid diente dann als Substrat f\u00fcr die DNA-Gyrase, welche es in die kompaktere supercoiled-Struktur \u00fcberf\u00fchrt wurde. Beide DNA-Formen k\u00f6nnen durch Agarose-Gelelektrophorese voneinander unterschieden werden, da das Agarosegel als Diffusionsbarriere fungiert und sich kompaktere DNA schneller durch das Gel in einem elektrischen Feld bewegen kann als weniger kompakte DNA in einer bestimmten Zeit.\nW\u00fcrde die DNA-Gyrase durch eine Vorbehandlung inaktiviert oder ihre Aktivit\u00e4t vermindert werden, dann w\u00fcrde keine oder weniger supercoiled DNA entstehen. Die mit gehemmter Gyrase behandelte DNA w\u00fcrde dann genau so langsam durch das Gel wandern wie komplett relaxierte DNA. Eine klassische Behandlung zur Inaktivierung von Enzymen ist z.B. das Kochen des Proteins, welches zeigte, dass der Assay wie erwartet funktionierte. Bei der eigentlichen Untersuchung mit Nalidixins\u00e4ure bzw. Allicin konnte beobachtet werden, dass beide Substanzen in einem vergleichbaren Konzentrationsbereich jeweils potente DNA Gyrase Hemmer sind (Abbildung 3) 11<\/sup>.<\/p>\n\n\n\n

Interessanterweise wurde aufgereinigtes GyrA Protein von PfAR-1 genauso stark gehemmt wie aufgereinigtes GyrA Protein von Pf0-1, was bedeutet, dass GyrA von PfAR-1 nicht resistent gegen die Oxidation durch Allicin ist. Um die Geschichte an dieser Stelle kurz zu halten wurde in einer sp\u00e4teren Studie gezeigt, dass PfAR-1 multiple Resistenzmechanismen gegen Allicin besitzt, welche die DNA-Gyrase vor dem Angriff von Allicin sch\u00fctzen 15<\/sup>. Da die Gyrase selbst kein Resistenzfaktor ist, ist die Identifikation der DNA Gyrase als Angriffsziel durch Allicin eine wichtige Beobachtung, die dazu beitr\u00e4gt, die antimikrobielle Aktivit\u00e4t von Allicin aus Knoblauch besser zu verstehen 11<\/sup>.<\/p>\n\n\n\n

Allicin ist derzeit noch kein Ersatz oder eine Alternative f\u00fcr andere Antibiotika, da noch eine Methode f\u00fcr den gezielten Einsatz von Allicin entwickelt werden muss. Allicin bzw. Knoblauch sollte daher nicht zur Selbstbehandlung benutzt werden, vor allem, da es in \u00fcberm\u00e4\u00dfiger Menge sch\u00e4dlich sein kann.<\/p>\n\n\n\n

Jan Borlinghaus, 13.10.2022<\/p>\n\n\n\n

Referenzen<\/h3>\n\n\n\n
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  15. Borlinghaus, J.; Bolger, A.; Schier, C.; Vogel, A.; Usadel, B.; Gruhlke, M. C.; Slusarenko, A. J. Genetic and Molecular Characterization of Multicomponent Resistance of Pseudomonas against Allicin. Life Sci. Alliance<\/em> 2020<\/strong>, 3<\/em> (5), e202000670. https:\/\/doi.org\/10.26508\/lsa.202000670.<\/li><\/ol>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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