Structural and Functional Insights into StmPr1: Stenotrophomonas maltophilia’s Main Virulence Factor

Abstract

Mit zunehmender Verbreitung antimikrobieller Resistenzen (AMR) etabliert sich eine immer drängendere globale Gesundheitskrise, welche erheblich zu steigenden Sterblichkeitsraten weltweit beiträgt. Übermäßiger und unsachgemäßer Einsatz von Antibiotika sowohl in der Humanmedizin als auch in der Landwirtschaft, gekoppelt mit unzureichender Regulierung und einer globalen Ausbreitung resistenter Krankheitserreger beschleunigt die Entwicklung multiresistenter Bakterien wie Stenotrophomonas maltophilia. Diese Dissertation legt den Fokus auf die strukturelle, funktionelle und biochemische Charakterisierung von StmPr1, einer sekretierten Serinprotease, diese ist beteiligt an der Virulenz und Persistenz von S. maltophilia. Mittels der Kombination aus Röntgenkristallographie, Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) und Molekulardynamik (MD)-Simulationen wurden die Strukturen der 36 kDa- und 47 kDa-Formen von StmPr1 aufgeklärt. Hierdurch wurden wesentliche Erkenntnisse über strukturelle Zustände und katalytische Mechanismen von StmPr1 gewonnen.

Ein Schwerpunkt dieser Dissertation war die strukturelle Analyse von StmPr1, hier lag der Fokus auf Unterschieden zwischen den beiden Formen von StmPr1 in ihrer Substratspezifität und ihrem Bindungsmodus. Neben den StmPr1 internen Unterschieden wurde die Aktivität von Borsäure-Derivaten als potenzielle Inhibitoren untersucht, da diese bekannt sind für ihre inhibitorische Wirkung auf Serinproteasen in ihrer Funktion als Proteasom-Inhibitoren. Des Weiteren wurden Molecular Docking und Dynamics Simulationen genutzt, um mögliche weitere Inhibitoren zu identifizieren.

Diese bioinformatischen Erkenntnisse in Kombination mit den Erkenntnissen aus klassischen strukturellen Analysen werfen neues Licht auf die Rolle von StmPr1 für das Überleben und die Anpassung von S. maltophilia. Damit tragen die Ergebnisse zu einem besseren Verständnis bakterieller Proteasen als interessante therapeutische Ziele bei, insbesondere im Kontext von AMR. Des Weiteren schafft die erfolgreiche Kristallisation und darüber hinaus die strukturelle Charakterisierung mittels aktueller Methoden eine Grundlage für zukünftige Studien, mit dem möglichen Ziel der Entwicklung eines Inhibitors, der bei der Behandlung von S. maltophilia-Infektionen helfen kann.

Mittels der Kombination von struktureller Bioinformatik, klassischer Röntgenstrukturanalyse und bewährten Methoden derStrukturbiologie und Biochemie schafft diese Dissertation eine Grundlage zum besseren Verständnis von StmPr1 im Speziellen und bakteriellen Proteasen im Allgemeinen. Dies bietet einen Ansatz für innovative Inhibitor-Design-Strategien und ist von Bedeutung im Kampf gegen Infektionen durch multiresistente Bakterien.