„Ein Breitspektrum-Lasso-Peptid-Antibiotikum, das auf das bakterielle Ribosom abzielt“

Heute stellen wir eine wichtige, in Nature veröffentlichte Studie vor, die erstmals ein neuartiges Lasso-Peptid-Antibiotikum namens Lariocidin (LAR) beschreibt, das von Paenibacillus sp. M2 produziert wird. LAR bindet potent an die kleine ribosomale Untereinheit von Bakterien und entfaltet ein breites antibakterielles Wirkungsspektrum durch Hemmung der Proteinsynthese und Induktion von Fehlcodierung. Mithilfe von Genom-Mining, heterologer Expression, Strukturbiologie und Validierung im Tiermodell klärt die Studie umfassend den einzigartigen Wirkmechanismus von LAR auf und demonstriert dessen geringe Neigung zur Resistenzentwicklung, niedrige Toxizität gegenüber eukaryotischen Zellen und signifikante Wirksamkeit in einem Mausinfektionsmodell. Diese Arbeit identifiziert nicht nur das erste Lasso-Peptid, das auf das Ribosom abzielt, sondern liefert auch einen neuen Wirkstoffkandidaten zur Bekämpfung multiresistenter bakterieller Infektionen.

01 Forschungshintergrund

Antibiotikaresistenz hat sich zu einer gravierenden globalen Gesundheitskrise entwickelt, die 2019 für über 4,5 Millionen Todesfälle verantwortlich war. Arzneimittelresistente Krankheitserreger, darunter gramnegative Bakterien, werden von der WHO als kritische Bedrohungen eingestuft, weshalb die Entwicklung neuer antimikrobieller Wirkstoffe dringend erforderlich ist. Das Ribosom, der zentrale Mechanismus der bakteriellen Proteinsynthese, ist ein wichtiges Zielmolekül für bestehende Antibiotika (z. B. Aminoglykoside, Tetracycline). Inhibitoren, die auf dieses Zielmolekül abzielen, weisen jedoch häufig nur wenige funktionelle Bindungsstellen auf. Ihr langfristiger übermäßiger Einsatz und die durch Resistenzgenmutationen entstehende Kreuzresistenz haben ihren Nutzen erheblich eingeschränkt. Vor diesem Hintergrund besitzen Lasso-Peptide, eine einzigartige Klasse ribosomal synthetisierter und posttranslational modifizierter Peptide (RiPPs), eine charakteristische dreidimensionale Lasso-Struktur (Zyklisierung über eine Isopeptidbindung zwischen dem N-Terminus und einer Asp/Glu-Seitenkette, wobei der C-terminale Rest durch die Schleife verläuft), die ihnen eine hohe Stabilität verleiht. Einige Lasso-Peptide (z. B. Microcin J25, Capistruin) sind für ihre antibakterielle Wirkung bekannt, hemmen aber bisher ausschließlich die RNA-Polymerase; es war kein Lasso-Peptid beschrieben worden, das das Ribosom, ein zentrales Zielmolekül, inhibiert. Daher wurde in dieser Studie durch Langzeitkultivierung von Umweltstämmen (einjährige Inkubation von Bodenproben) Paenibacillus sp. M2 identifiziert und isoliert. Dessen Metaboliten zeigten eine starke Hemmwirkung gegen multiresistente Acinetobacter baumannii. Die aktivitätsgesteuerte Isolierung führte schließlich zur Entdeckung des neuen Antibiotikums LAR – dem ersten Lasso-Peptid, das das Ribosom als Zielstruktur identifiziert wurde. Dies liefert ein wichtiges Paradigma für die Entwicklung antibakterieller Wirkstoffe mit neuartigen Wirkmechanismen und bietet somit Potenzial zur Bekämpfung der zunehmenden Herausforderung resistenter Infektionen.

02 Innovative Highlights

Strukturelle Innovation: Die Studie ergab, dass das Naturstoffderivat LAR-B eine einzigartige dreidimensionale Struktur in Form eines „Doppelschleifenknotens“ aufweist. Diese Struktur, die durch eine zweite Isopeptidbindung (zwischen Lys2 und Arg17) gebildet wird, stellt das erste identifizierte Lasso-Peptid der Klasse V dar. Diese innovative Struktur erhöht nicht nur die Konformationsstabilität des Moleküls und macht es dadurch resistent gegen den Abbau durch verschiedene Proteasen wie Pepsin und Trypsin, sondern bietet vor allem ein neuartiges molekulares Gerüst für die strukturorientierte Wirkstoffoptimierung und damit eine Lösung zur Überwindung der Stabilitätsbeschränkungen traditioneller Lasso-Peptide.

Einzigartige Bindungsstelle: LAR zeichnet sich durch eine einzigartige Zielselektivität und einen vielschichtigen Wirkmechanismus aus. Es bindet spezifisch an die Helixregion h31 und h34 der 16S rRNA in der ribosomalen 30S-Untereinheit. Diese Bindungsstelle überlappt nicht mit den Bindungsstellen bekannter ribosomenspezifischer Antibiotika wie Tetracyclin (bindet an der Basis von h34) oder Streptomycin (wirkt auf die Helix h44). Dank dieser einzigartigen Bindungsweise behält LAR seine hohe Wirksamkeit gegen klinisch häufige resistente Stämme nahezu ohne Kreuzresistenzprobleme bei. Kristallstrukturanalysen zeigten, dass die C-terminale Verlängerung von LAR direkt in die A-Stelle des Ribosoms inseriert und dort eine sterische Hinderung mit dem Akzeptorstamm der tRNA verursacht. Dadurch wird die EF-G-vermittelte ribosomale Translokation effektiv gehemmt.

Doppelter bakterizider Mechanismus: Zum einen stabilisiert es das Ribosom im prätranslokativen Zustand, blockiert die relative Bewegung von mRNA und tRNA am Ribosom und hemmt so die Elongationsphase der Proteinbiosynthese. Zum anderen verringert seine Interaktion mit dem Decodierungszentrum die Genauigkeit der Aminoacyl-tRNA-Selektion, was zu einer etwa 15- bis 20-fachen Erhöhung der Fehlablesungsrate von Codons führt. LAR durchquert die Bakterienmembran membranpotenzialabhängig, wodurch es ohne spezifische Transporterproteine ​​in die Zellen gelangen kann. Dies ermöglicht ihm eine ausgezeichnete antibakterielle Wirkung gegen gramnegative Bakterien (z. B. A. baumannii) und Mykobakterien, denen spezifische Transportsysteme fehlen.

03 Ergebnisse und Diskussion

3.1 Identifizierung, Biosynthese und Strukturaufklärung von LAR

LAR (Molekulargewicht 1870,06 Da) wurde aus Paenibacillus sp. M2 mittels aktivitätsgesteuerter Fraktionierung aufgereinigt. Die Genomanalyse identifizierte den Biosynthese-Gencluster (lrcBGC), der typische Elemente wie das Vorläuferpeptid LrcA und die Cyclase LrcC kodiert. Heterologe Expression bestätigte, dass dieser Cluster für die Produktion von LAR und seinen Varianten LAR-B (ohne Gly18 und mit einer zweiten Isopeptidbindung) und LAR-C (nur ohne Gly18) ausreicht. NMR-Spektroskopie und Kristallographie zeigten, dass LAR eine klassische Lasso-Struktur aufweist, während die Doppelschleifenstruktur von LAR-B wahrscheinlich die Stabilität erhöht.

Abb. 1 | LAR und sein BGC

3.2 Antibakterieller Mechanismus von LAR: Ribosomen-Targeting und duale Hemmung

LAR zeigt bakterizide Aktivität und reduziert die Koloniezahl nach einstündiger Behandlung mit der 10-fachen minimalen Hemmkonzentration (MHK) um das 10⁴-Fache. Es verursacht jedoch keine Zelllyse, was sich in keiner Abnahme der optischen Dichte der Kultur widerspiegelt. Membranpermeabilitätsassays mittels Propidiumiodid-Färbung und Membranpotenzialmessung mit DiOC₃-Farbstoff zeigten, dass LAR die Membranintegrität nicht beeinträchtigt. Fluoreszenzmarkiertes LAR reichert sich intrazellulär an, was auf ein intrazelluläres Zielmolekül hindeutet. Die Suche nach resistenten Mutationen in einem sensitiven E. coli-Stamm SQ110ΔtolC ergab Mutationen, die sich auf Positionen wie U1052A und G1207A in der 16S rRNA konzentrieren, welche in den h31/h34-Helices der kleinen ribosomalen Untereinheit lokalisiert sind. In-vitro-Translationsassays zeigten, dass LAR die bakterielle Proteinsynthese signifikant hemmt, während es nur minimale Auswirkungen auf eukaryotische Systeme hat.

Abb. 2 | LAR weist bakterizide Aktivität auf und zielt auf die bakterielle Proteinsynthese ab.

3.3 Strukturbiologie enthüllt Bindungsstelle und molekularen Mechanismus

Durch die Aufklärung der komplexen Strukturen von LAR und seiner Variante LAR-B in Bindung an das 70S-Ribosom von Thermus thermophilus konnte in dieser Studie der einzigartige Wirkmechanismus auf atomarer Ebene enthüllt werden: LAR bindet spezifisch an den Kopf der kleinen ribosomalen Untereinheit und interagiert mit Schlüsselresten wie G530 und A1492 der 16S rRNA. Die stabile Bindung erfolgt über eine Stapelwechselwirkung zwischen Phe11 und U531. Besonders wichtig ist, dass LAR direkt mit dem Phosphatrest von G31 der A-Stellen-tRNA interagiert. Dies erklärt strukturell die Doppelfunktion von LAR: die Hemmung der tRNA-mRNA-Translokation und die Induktion von Codon-Fehlinterpretationen. Dieser Mechanismus wurde zudem unabhängig durch Toeprinting-Assays bestätigt. Bemerkenswerterweise überlappt diese Bindungsstelle teilweise mit der von Odilorhabdin, unterscheidet sich aber vollständig von den Bindungsstellen klassischer Antibiotika wie Tetracyclin und Streptomycin. Dieser neuartige Bindungsmodus erklärt grundlegend den einzigartigen Vorteil der geringen Neigung von LAR zur Kreuzresistenz.

Abb. 3 | Struktur von LAR im Komplex mit dem T. thermophilus 70S Ribosom.

3.4 In-vivo- und In-vitro-Aktivitäts- und Resistenzanalyse

LAR ist wirksam gegen klinisch resistente Bakterien wie Carbapenem-resistente A. baumannii (MIC 8 µg/ml), und seine Aktivität wird durch Serum verstärkt. In einem Mausmodell für neutropenische Oberschenkelinfektionen reduzierte die LAR-Behandlungsgruppe (4 Dosen) die Bakterienlast in Milz, Oberschenkel und Blut nach 24 Stunden um das Hundertfache und erhöhte die Überlebensrate auf 100 %. Resistenzexperimente zeigten eine geringe spontane Mutationsrate für LAR (~2×10⁻⁸), und die Überexpression gängiger Resistenzenzyme (z. B. Methyltransferasen, Acetyltransferasen) beeinträchtigte seine Aktivität nicht, was auf eine hohe Resistenzbarriere hindeutet.

Abb. 4 | Therapeutische Wirksamkeit von LAR in einem Mausmodell für neutropenische Oberschenkelinfektionen

04Schlussfolgerung und Zukunftsperspektiven

Diese Studie identifiziert LAR systematisch als erstes Lasso-Peptid-Antibiotikum, das auf das Ribosom abzielt. Durch die Bindung an eine neuartige Stelle der kleinen ribosomalen Untereinheit hemmt es gleichzeitig die Translokation und induziert Fehlablesungen von Codons. Es zeigt eine exzellente antibakterielle Breitspektrumaktivität, eine geringe Resistenzentwicklung und eine gute therapeutische Wirksamkeit in vivo. Die einzigartige Doppelschleifenstruktur seiner natürlichen Variante LAR-B erweitert die strukturelle Vielfalt der Lasso-Peptid-Familie, und die etablierte heterologe Expressionsplattform bildet eine solide Grundlage für die Produktion im großen Maßstab. Zukünftige Forschung könnte sich auf die Entdeckung weiterer Strukturanaloga durch Genom-Mining, die rationale Optimierung der pharmakokinetischen Eigenschaften von LAR und die Untersuchung seiner synergistischen Effekte mit bestehenden Antibiotika gegen prioritäre Krankheitserreger der WHO konzentrieren. Zusammenfassend bereichert die Entdeckung von LAR nicht nur das molekulare Arsenal an Ribosomeninhibitoren, sondern bietet auch ein innovatives Paradigma für die Entwicklung von Antibiotika der nächsten Generation gegen resistente Bakterien.

Originalartikel:

Jangra M, Travin DY, Aleksandrova EV, et al. Ein Breitspektrum-Lasso-Peptid-Antibiotikum, das auf das bakterielle Ribosom abzielt. Nature. 2025 Apr;640(8060):1022-1030. doi: 10.1038/s41586-025-08723-7. Epub 2025 Mar 26. Erratum in: Nature. 2025 Sep;645(8082):E11.