Der neueste Ansatz zur Bekämpfung von ‘Superbugs’ – synthetisierte Antibiotika und antibakterielle Polymere

Die Bedrohung durch Antibiotikaresistenz

In einem kürzlich veröffentlichten Artikel haben wir erläutert, warum Antibiotikaresistenzen eine wachsende Gefahr für die öffentliche Gesundheit darstellen.

„Antimikrobielle Resistenzen verursachten 2019 unmittelbar 1,27 Millionen Todesfälle; jedes fünfte Opfer war ein Kind unter fünf Jahren. Insgesamt litten 4,95 Millionen der 2019 verstorbenen Menschen an arzneimittelresistenten Infektionen, etwa der unteren Atemwege, des Blutkreislaufs oder des Bauchraums.“

In diesem Artikel zeigten wir, wie KI helfen kann, neue Antibiotikaklassen gegen bakterielle Resistenzen zu finden. Außerdem behandelten wir im Beitrag „Lebende Antibiotika schaffen: BiomX vs. Armata (PHGE )“, wie Viren, sogenannte Bakteriophagen, eingesetzt werden könnten.

Nach heutigem Stand könnten Antibiotikaresistenzen bis 2050 zehn Millionen Todesfälle pro Jahr verursachen. Das liegt teilweise daran, dass die letzte neu entdeckte Antibiotikaklasse, die den Markt erreichte, aus dem Jahr 1987 stammt. Es gibt jedoch weitere mögliche Wege, bakterielle Infektionen zu stoppen, darunter synthetische Biologie und synthetische Polymere.

Synthetische Proteine

Ein neues Antibiotikum?

Ein neues Gebiet der biologischen Forschung erzeugt oder verändert Proteine mit Aminosäuren, die in lebenden Zellen normalerweise nicht verwendet werden. Grundsätzlich lassen sich Proteine theoretisch aus Hunderten verschiedener Aminosäuren aufbauen. Dass Lebewesen nur 20 Aminosäuren nutzen, ist lediglich eine Besonderheit der darwinistischen Evolution.

Mit dieser Methode lassen sich Verbindungen mit interessanten Eigenschaften verändern und erheblich wirksamer machen.

Genau das hat das Team von Dr. Ishwar Singh mit einem potenziellen neuen Antibiotikum aus Bodenbakterien getan. Es erzeugt ein Molekül namens Teixobactin, das Staphylococcus aureus einschließlich antibiotikaresistenter MRSA abtötet.

Quelle: Science Direct

Die Entstehung von Resistenzen verhindern

Teixobactin könnte wegen seines Wirkmechanismus, der Lipide in der Bakterienmembran statt anpassungsfähigerer Proteine angreift, weniger anfällig für Resistenzbildung sein. Dennoch besteht die Sorge, dass ein großflächiger klinischer Einsatz Resistenzen hervorrufen könnte.

Dieses Risiko lässt sich verringern, indem das Antibiotikum wesentlich wirksamer gemacht wird. Dann überleben weniger Bakterien und können sich folglich seltener anpassen. Dr. Singhs Team stellte fest, dass sich einige Proteinbausteine von Teixobactin durch günstigere, kommerziell verfügbare nicht-proteinogene Aminosäuren ersetzen lassen.

Dadurch erhöhte sich die antibakterielle Wirkung außerdem um das 16- bis 32-Fache.

Solche bemerkenswerten Ergebnisse könnten ein völlig neues Forschungsfeld in der Antibiotikaentwicklung eröffnen:

• Bisher zu wenig aktive Verbindungen könnten neu konstruiert werden, um eine völlig neue Antibiotikaklasse zu schaffen.
• Antibiotika mit weitverbreiteten Resistenzen könnten so verändert werden, dass sie die Resistenzmechanismen umgehen.
• Neue Moleküle könnten mithilfe synthetischer Proteindesigns von Grund auf entwickelt werden, möglicherweise unterstützt durch KI bei Entwurf und Prüfung der antibakteriellen Aktivität.

Synthetische Polymere

Universelle Bakterienkiller

Gegen manche chemischen Wirkungen entwickeln Bakterien keine nennenswerte Resistenz. Reiner Alkohol etwa desinfiziert Oberflächen heute ebenso wirksam wie vor Jahrhunderten. Der antibakterielle Effekt beruht auf grundlegenden physikalischen Vorgängen: Ethanol zerstört die dreidimensionale Struktur von Proteinen und schädigt dadurch jede Lebensform.

Das Problem solcher Mechanismen in Antibiotika besteht darin, dass sie universell wirken und deshalb auch für menschliche Zellen hochgiftig sind. Bei einer Infektion lassen sie sich daher im Körper eines Patienten normalerweise nicht einsetzen.

Selektive synthetische Polymere

Ein universelles chemisches Phänomen, das Bakterienzellen schädigt, ist die Zerstörung der Zellmembran. Kationische Polymere können dies bewirken, indem sie den chemischen Gradienten zwischen dem Inneren und Äußeren der Bakterienzelle aufheben.

Bei der Entwicklung von Antibiotika mit diesen Molekülen besteht das Problem darin, dass sie für Säugetierzellen, also auch menschliche Zellen, giftig sind.

Ein von Dr. Quentin Michaudel geleitetes Team der Texas A&M University glaubt, eine Lösung gefunden zu haben. Es stellte fest, dass sich das Polymer so verändern lässt, dass es Bakterien schädigt, Säugetierzellen jedoch nicht oder zumindest deutlich weniger.

„Die Platzierung der kationischen Gruppen nahe dem Kern der Polymerarchitektur statt an angehängten Seitenketten könnte sowohl ihre Bioaktivität als auch ihre Selektivität für Bakterienzellen gegenüber Säugetierzellen verbessern.“ – PNAS

Da dieses Verfahren stärker auf Chemie als auf Biologie beruht, könnte es auf viele andere Polymere mit ähnlichen Eigenschaften ausgeweitet werden. Langfristig könnte dies einer der vielversprechendsten Wege zu einem antibakteriellen oder antibiotischen Produkt sein, das keine Resistenzen hervorruft.

Unternehmen, die von diesen Entdeckungen profitieren könnten

Teixobactin wurde an das Unternehmen Novobiotic lizenziert. Da es sich um ein Privatunternehmen handelt, ist es für die große Mehrheit der Anleger nicht zugänglich.

Synthetische Polymere dürften am besten von Industriekonzernen mit Erfahrung in der Herstellung komplexer Polymere produziert werden, etwa BASF (BASFY) oder Dow (DOW). Das kann allerdings von künftigen Patenten und Lizenzvereinbarungen der Universitäten und Forscher abhängen, die das Produkt entdeckt haben. Langfristig laufen solche Patente aus, und die Antibiotika werden zu chemischen Standardprodukten. Davon profitieren Chemiekonzerne oder Generikahersteller wie die Sandoz Group AG (SDZNY).

Falls KI dabei hilft, Toxizität frühzeitig zu prüfen oder nach den Grundideen dieser Entdeckungen neue Verbindungen zu finden, könnten auch die bereits vorgestellten Unternehmen beitragen, darunter Schrödinger, Inc. (SDGR) (SDGR ), Exscientia (EXAI) und Recursion Pharmaceuticals (RXRX ) (RXRX), Inc.