 |
Cyclodextrin-based traps to control cooperative action of bacteria
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
125093 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Szente, Lajos |
| Title in Hungarian |
Baktériumok együttműködését befolyásoló ciklodextrin alapú csapdák |
| Title in English |
Cyclodextrin-based traps to control cooperative action of bacteria |
| Keywords in Hungarian |
zárványkomplex-képzés, ciklodextrin-származékok, jelzőmolekulák, biotesztek, biolumineszcencia |
| Keywords in English |
inclusion complex formation, cycliodextrin derivatives, signaling molecules, biotests, bioluminescence |
| Discipline |
| Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 60 % | | Ortelius classification: Pharmaceutical chemistry | | Microbiology: virology, bacteriology, parasitology, mycology (Council of Medical and Biological Sciences) | 40 % |
|
| Panel |
Chemistry 2 |
| Department or equivalent |
CycloLab Cyclodextrin Research and Development Laboratory Ltd. |
| Participants |
Bálint, Mihály
Benkovics, Gábor
Czene, Szabolcs
Fenyvesi, Éva
Gruiz, Katalin
Malanga, Milo
Molnár, Mónika
Puskás, István
Sohajda, Tamás
Szemán, Julianna
Varga, Erzsébet
|
| Starting date |
2017-10-01 |
| Closing date |
2021-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
35.400 |
| FTE (full time equivalent) |
14.65 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A baktériumpopulációk egyedei közötti együttműködés tipikus formája a quorum sensing (QS), mely jelzőmolekulák kibocsátása és érzékelése útján ad információt a közösség tagjainak az egyedsűrűségről. Ez teszi lehetővé, hogy a baktériumok közösségként (kvázi többsejtű szervezetként) működjenek. Bizonyos sejtkoncentráció felett kezdődik a biofilmképzés, toxinok, virulenciafaktorok közös termelése, antibiotikumokkal szembeni ellenálló képesség (rezisztencia) kifejlesztése, egyes fajoknál fény kibocsátása (biolumineszcencia), stb.
A QS a sejtsűrűségről folytatott kommunikáció. A Gram negatív baktériumok N-acil-L-homoszerinlaktonok (AHL), a Gram-pozitív baktériumok bizonyos peptidek kibocsátásával jeleznek. A QS új célpont az antibiotikum-fejlesztésben: a jelzőmolekulák keletkezésének és terjedésének gátlásával a rezisztencia kialakulása elkerülhető.
Kutatásunk célja a jelzőmolekulák megkötésére képes ciklodextrin (CD)-alapú csapdák kifejlesztése, hogy ezáltal gátoljuk a baktériumok együttműködését, pl. a biofilmképzést, fénykibocsátást, fertőzőképességét. Egy sor CD-származékot állítunk elő és próbálunk ki különféle bakteriális tesztekben: monomereket és polimereket, pozitívan és negatívan töltött származékokat, hosszabb-rövidebb alkilláncokkal, esetenként fluoreszkáló csoportokkal is dekorálva.
Kifejlesztünk egy egyszerű szűrővizsgálatot a fényt kibocsátó A. fischeri baktériummal, és ezzel tanulmányozzuk első lépésben a különféle CD-származékokat.
Kölcsönhatás-vizsgálatokat is végzünk, hogy mélyebben értsük a CD-alapú csapdák működését, és hogy találjunk különösen hatékony származékokat a gyűrű üregének mérete, töltése, a szubsztituensek minősége és száma tekintetében.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Csak néhány kutatócsoport vizsgálta eddig a ciklodextrinek hatását a sejtek közötti kommunikációra. A jelzőmolekulák csapdázása volt a koncepció. A szerkezet–hatás vizsgálatok azt mutatták, hogy a 6-dodecilamino béta-CD szinte teljesen leállította a QS-t S. marcenses baktériumok esetén. Szoros összefüggést találtak a gátlóhatás és az adott AHL jelzőmolekulával történő komplexképződés között. Még nincs azonban közvetlen bizonyíték arra, hogy a mechanizmus valóban csak komplexképződés. A CD gyűrűkön lévő oldalláncok és az AHL molekulák közötti szerkezeti hasonlóság arra utal, hogy az aminoalkil-CD származék is kötődhet az AHL-receptorokhoz.
Először egyes baktériumok, pl. A. fisheri és A. tumifaciens jelzőmolekuláinak komplexálhatóságát vizsgáljuk. Immobilizált CD-ket fogunk használni a mechanizmus megértésére: a megkötött AHL molekulákat HPLC-vel mérjük. Fluoreszcens jelölést használunk, hogy láthatóvá tegyük, hol kötődik meg a CD (esetleg együtt a szintén jelzett AHL molekulákkal).
Bár alfa-CD-re vonatkozóan alig találunk adatot az irodalomban, sokéves tapasztalataink alapján béta-CD helyett alfa-CD-származékokkal várunk jobb eredményeket az AHL molekulák alkil-láncainak megkötésében.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A hagyományos antibiotikumokkal szembeni ellenálló képesség fenyegető növekedése új stratégiák kialakítására ösztönzi a kutatókat. Egyik legújabb irányzat a sejtek közötti kommunikáció, a QS gátlása. Munkahipotézisünk egyes jelzőmolekulák megkötésére speciálisan alkalmas ciklodextrin-származékok tervezése, szintézise és vizsgálata még nem teljesen kiaknázott terület. A CycloLab több mint 40 éves tapasztalata a CD kémia területén, továbbá a cégen belül a CD-származékok nagy választéka gyors előrehaladást ígér.
Reméljük, hogy az új csapdák éppúgy, mint a kutatás-fejlesztés során szerzett új ismeretek hasznosíthatók lesznek más rezisztens baktériumok ellen is, fertőzőképességük, biofilm-képző képességük gátlására. Tudjuk, hogy a biofilm-képződés milyen sok technikai problémát okoz a víz alatti berendezések, membrán bioreaktorok, beültetett orvosi eszközök, stb. esetében.
A terület még világszerte újdonságnak számít, amit az is mutat, hogy mindössze egy szabadalmat találtunk a szabadalmakat rendszerező espacenet adatbázisban (JP4905724, 2012): ez az alkil- és alkilamino-CD származékokat védi, mint QS gátlószereket. A projektben kipróbálandó CD-származékok széles tárháza előrevetíti, hogy hatékony, szabadalmaztatható származékokat is találunk.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az egysejtű szervezetek, pl. baktériumok és gombák együttműködése lehet előnyös is, hátrányos is az emberiség szempontjából. A sejtek közötti kommunikáció (quorum sensing, quorum jelentése határozatképes többség) gátlása/serkentése lehetőséget ad együttműködésük szabályozására. Ha a baktériumok érzik, hogy a jelzőmolekulák koncentrációja meghalad egy bizonyos értéket, ami azt jelzi, hogy a populáció elért egy bizonyos méretet, úgy kezdenek viselkedni, mint a többsejtű szervezetek: biofilmet képeznek, fényt bocsátanak ki, mérgező anyagokat termelnek, stb.
Ezeknek a folyamatoknak a mélyebb megismerése új perspektívát nyithat az antiotikumokkal szemben ellenálló (rezisztens) baktériumokkal szembeni küzdelemben, a beültetett orvosi eszközök okozta fertőzések elkerülésében, víz alatti berendezések, vezetékek megtelepedő mikroorganizmusok elleni védelmében. Projektünkben ciklodextrin-alapú csapdákat fejlesztünk ki a jelzőmolekulák megkötésére. Ez egy újszerű közelítés, amely nem a baktériumok megölésére, hanem a kommunikációjuk gátlására irányul és amelyben nagy lehetőségek rejlenek. A növényi eredetű ciklodextrinek gyűrű alakú cukormolekulák, melyek képesek üregükbe zárni más molekulákat, így a QS jelzőmolekulákat is. Kémiai módosítással el lehet érni, hogy a jelzőmolekulákat különösen erősen kössék meg ezek a csapdák. Például, hidrofób csoportokat lehet a gyűrűhöz kapcsolni, elektromos töltést vagy fluoreszcens fénnyel világító molekularészeket beépíteni, hogy ezáltal az adott jelzőmolekula szerkezetéhez igazítsuk. Ezeket a csapdákat különféle baktériumokkal fogjuk tanulmányozni.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Many bacteria regulate their cooperative activities through releasing, sensing and responding to small signaling molecules. This mechanism called quorum sensing (QS) makes possible for a population of bacteria to behave as a multi-cellular organism in host colonization, formation of biofilms, defense against competitors and adaptation to changing environment.
QS is one of the cell-to-cell communication mechanisms on cell population density. Gram-negative bacteria produce several kinds of N-acyl-L-homoserin lactones (AHLs) as signal compounds, while Gram-positive bacteria produce signal peptides called autoinducing peptides (AIPs). QS is a new target for the development of antibiotic agents inhibiting either the production or dissemination of the signaling molecules.
Our aim is to develop cyclodextrin (CD)-based traps for capturing the signaling molecules (AHLs) concentrating on the Gram-negative bacteria and thus hindering their cooperative action, e.g. biofilm formation, bioluminescence, and virulence.
A library of CD derivatives: monomers and polymers with positive or negative charge, substituted with shorter or longer alkyl chains, labeled or not with fluorescent moieties will be designed, synthesized and tested to select the most suitable ones.
We plan to develop a simple test for quantitative characterization of QS using the bioluminescence of Aliivibrio fisheri.
In order to understand the mechanism how the CD-based traps work and to find the best fitting version concerning the cavity size, type of substituent, charge, etc. we plan to perform interaction studies between some AHLs with a series of CDs using various techniques.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The effect of CDs on QS has been studied only by a limited number of groups. The concept published was to trap the signaling molecules with CD derivatives thus interrupting the cell-to-cell communication. The structure–activity studies showed that the 6-dodecylamino-beta-CD inhibited QS of S. marcensens almost completely. The QS quenching (QQ) potential was in close relationship with the inclusion complex forming ability of the applied CD derivatives with the AHL of S. marcensens. There is, however, no direct evidence that the mechanism is really and only entrapment of AHLs. The similarity of the structure of the substituents on CD compounds studied to AHLs makes it conceivable that the alkylamino chain of the CD binds to the receptors.
First we will apply bacteria, such as A. fisheri and A. tumifaciens with different AHLs to find out what signaling molecules these bacteria use and if these can interact with CDs.
To get a deeper insight into the mechanism we will use immobilized CDs. Contacting them with the bacteria, the captured AHLs will be extracted and detected by HPLC.
The fluorescent labeling is a useful tool for visualizing the localization of the molecules within the bacterial cell culture (intra- or extracellular localization, colocalization of the traps with AHLs also labeled, etc.) and gives information on the cell-CD interaction (if the specific CD is bound to the cell wall).
Based on our long experience in CD complexation we expect that AHLs interact with alpha-CD derivatives better than with beta-CD derivatives (as the alkyl chain of AHLs fits better to the smaller cavity). There is, however, hardly any data on the QQ ability of alpha-CD derivatives.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The alarming spread of bacterial resistance to traditional antibiotics is forcing researchers to find new strategies against bacterial infections. One of the most recent approach is to interrupt quorum sensing, the cell-to-cell communication necessary for bacteria in adapting to their environment. Our working hypothesis, the entrapment of the specific signaling molecules, such as N-acyl-homoserine lactones (AHLs), by using tailor-made cyclodextrin traps adjusted to the signaling molecules of the targeted bacteria has not been explored yet. The 40-year experience in the cyclodextrin chemistry as well as the large choice of the cyclodextrin derivatives at CycloLab promise a fast progress.
We hope that both the new traps and the knowledge collected during the research and development will be usable for applications against other bacteria especially against the most resistant, most virulent ones. Further applications are expected in controlling biofouling, which is the source of tremendous technological problems in underwater equipment, membrane bioreactors, medical devices, etc.
The scarcity of the related literature shows that we do not have to count with rivals. The only patent in espacenet database (Japanese Patent Application JP2009280736, 2008) discloses the alkyl and aminoalkyl cyclodextrin derivatives as quorum sensing inhibitors. The wide variety of cyclodextrins to be used in the project according to the research plan gives the possibility to find patentable derivatives.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The cooperative action of the unicellular organisms, such as bacteria and fungi can be beneficial or detrimental in human perspective. One of the possibilities for controlling the cooperativity between the cells is the inhibition/stimulation of quorum sensing, the language bacteria use for cell-to-cell communication: they produce signaling molecules. Bacteria sensing that the concentration of the signaling molecules is above a threshold start to behave as a multicellular organism, form biofilms, discharge light, produce toxins, etc.
Deeper knowledge in this field can open new perspectives in fighting against antimicrobial-resistant organisms, biofouling on medical devices, etc. Our approach of utilizing cyclodextrin-based traps for capturing the signaling molecules is a scarcely studied field, although it has a great potential. Cyclodextrins of plant origin (no virus! No prion!) are cyclic sugars with cavities able to entrap other molecules, such as the signaling molecules of bacteria. These sugars are nontoxic and used in foods and drug formulations as solubilizers, stabilizers, etc. Their activity as traps for the signaling molecules of bacteria can be highly improved by chemical modifications attaching either hydrophobic moieties to modulate the hydrophilicity of the rim, or targeting groups to improve the bioavailability and/or fluorescent groups to make them visible under the microscope. These modifications may result in tailor-made traps designed for binding specifically the signaling molecules of certain bacteria. All the traps will be studied by various bacteria including those of high virulence and resistance to conventional antibiotics.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Gábor Benkovics, Mihály Bálint, Éva Fenyvesi, Erzsébet Varga, Szabolcs Béni, Konstantina Yannakopoulou, Milo Malanga: HOMO- AND HETERO-DIFUNCTIONALIZED β-CYCLODEXTRINS: SHORT DIRECT SYNTHESIS IN GRAM SCALE AND ANALYSIS OF REGIOCHEMISTRY, Beilstein J. Org. Chem. 15, 710-720, 2019 | | Mónika Molnár, Éva Fenyvesi, Zsófia Berkl, Imre Németh, Ildikó Fekete-Kertész, Rita Márton, Lajos Szente: Cyclodextrin-mediated quorum quenching in the Aliivibrio fischeri bioluminescence model system - Modulation of bacterial communication, International Journal of Pharmaceutics 594, 120150, 2021 | | Fenyvei. É., Sohajda, T.: CYCLODEXTRIN-ENABLED GREEN ENVIRONMENTAL BIOTECHNOLOGIES, Environmental Science and Pollution Research (ESPR-D-21-04125R1) accepted, 2021 | | Ligethy, L., Molnár, M., Fenyvesi, É., szente, L.: Effect of limonene complexation on quorum sensing controlled bioluminescence of Aliivibrio fischeri, Annual Meeting of Working Committee for Carbohydrates, Nucleic Acids and Antibiotics of the Hungarian Academy of Sciences. May 22-24, Mátrafüred, Hungary, 2019 | | Fekete-Kertész, I., Berkl, Zs., Tóth, Zs., Fenyvesi, É., Szente, L., Molnár, M.: Quorum quenching effect of cyclodextrins on the pyocyanin and pyoverdine production of Pseudomonas aeruginosa, Abstract Book of 6th European Cyclodextrin Conference, October 14, 2019, Santiago de Compostela, 2019 | | Buda, K.: Mozogjunk együtt! A baktériumok helyváltoztató mozgásformái, Élet és Tudomány LXXVI. évfolyam, 32. szám., 2021 | | Berkl, Zs., Molnár, M., Fenyvesi, É., Németh, I., Buda, K., Fekete-Kertész, I., Márton, R., Szente, L: Cyclodextrin-mediated quorum quenching in Aliivibrio fischeri model system., 4th National Conference of Young Biotechnologists, Debrecen, 2020 | | Fekete-Kertész, I., Berkl, Zs., Tóth, Zs., Vaszita, E., Márton, R., Fenyvesi, É., Szente, L., Molnár M.: Quorum quenching effect of cyclodextrins on the pyocyanin and pyoverdine production of Pseudomonas aeruginosa, Journal of Inclusion Phenomena and macrocyclic Chemistry (under submission), 2021 | | Molnár, M., Fenyvesi, E., Szente, L., Németh, I., Fekete-Kertész, I., Vaszita, E., Varga., E., Berkl, Zs.: The effect of cyclodextrins (CD) and CD derivatives on the biofilm formation of Pseudomonas aeruginosa, Science of the Total Environment (under submission), 2021 | | Fenyvesi, É.; Molnár, M., Tar, A.; Gulyás, A.; Puskás, I.; Szente, L.: Effect of triclosan/cyclodextrin complexes on bacterial communication, Abstract Book of 19th International Cyclodextrin Symposium, April 27-30, 2018, Tokyo, 2018 | | Fenyvesi, É.; Molnár, M., Tar, A.; Gulyás, A.; Puskás, I.; Szente, L.: Effect of triclosan/cyclodextrin complexes on bacterial communication, poster at the 19th International Cyclodextrin Symposium, April 27-30, 2018, Tokyo, 2018 | | Molnár, M., Fekete-Kertész, I., Fenyvesi, É., Szente, L.: Effect of various cyclodextrin derivatives on bacterial communication, Annual Meeting of American Association of Pharmaceutical Scientists, 2018 | | Gábor Benkovics, Mihály Bálint, Éva Fenyvesi, Erzsébet Varga, Szabolcs Béni, Konstantina Yannakopoulou, Milo Malanga: HOMO- AND HETERO-DIFUNCTIONALIZED β-CYCLODEXTRINS: SHORT DIRECT SYNTHESIS IN GRAM SCALE AND ANALYSIS OF REGIOCHEMISTRY, Beilstein J. Org. Chem., 2019 | | Zsófia Berkl, Mónika Molnár, Ákos Bordohányi, Ildikó Fekete-Kertész, Imre Németh, Éva Fenyvesi, Lajos Szente: The effect of cyclodextrins on the biofilm formation of Pseudomonas aeruginosa – Modulation of quorum sensing, Abstract Book of 6th European Cyclodextrin Conference, October 14, 2019, Santiago de Compostela, 2019 | | Ildikó Fekete-Kertész, Mónika Molnár, Zsófia Berkl, Imre Németh, Zsófia Tóth, Ákos Bordohányi, Éva Fenyvesi, Lajos Szente: Quorum quenching effect of cyclodextrins on the pigment production of Pseudomonas aeruginosa, Abstract Book of 6th European Cyclodextrin Conference, October 14, 2019, Santiago de Compostela, 2019 | | Zsófia Berkl, Mónika Molnár, Ákos Bordohányi, Ildikó Fekete-Kertész, Imre Németh, Éva Fenyvesi, Lajos Szente: The effect of cyclodextrins on the biofilm formation of Pseudomonas aeruginosa – Modulation of quorum sensing, Abstract Book of 6th European Cyclodextrin Conference, October 14, 2019, Santiago de Compostela, 2019 | | Berki Zsófia: Mikroszkopikus rádiócsend – a bakteriális kommunikáció gátlása ciklodextrinekkel, Élet és Tudomány, 2020, LXXV. 35, 2020 | | Mónika Molnár, Éva Fenyvesi, Zsófia Berkl, Imre Németh, Ildikó Fekete-Kertész, Rita Márton, Lajos Szente: Cyclodextrin-mediated quorum quenching in the Aliivibrio fischeri bioluminescence model system - Modulation of bacterial communication, International Journal of Pharmaceutics (IJP-D-20-02222) under review, 2021 | | Beni, Sz., Malanga, M., Sohajda, T. et al.: Pharmaceutical and Biomedical Analysis (JPBA-D-20-01312), Pharmaceutical and Biomedical Analysis (JPBA-D-20-01312) under review, 2021 | | Varnai, B., Grabarich, M., Szakács, Z. , Pagel, K. , Malanga, M., Sohajda, T., Beni, Sz.: Structural characterization of fondaparinux interaction withper-6-amino-beta-cyclodextrin: An NMR and MS study, Pharmaceutical and Biomedical Analysis (JPBA-D-20-01312) 197, 113947, 2021 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
