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Abstract

Die weltweit steigende Zahl der Infektionen durch multiresistente Krankheitserreger ist eine bedeutende Herausforderung für unser modernes Gesundheitssystem. Zu ihrer effektiven Bekämpfung werden Antibiotika mit neuen Wirkmechanismen benötigt. Im Entwicklungsprozess eines neuen Antibiotikums können zwar viele antimikrobielle Substanzen erzeugt werden, die Identifikation neuer Wirkmotive stellt jedoch eine zeit- und kostenintensive Hürde dar. In dieser Arbeit wird die Anwendung von Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) mit Synchrotronstrahlung als Hochdurchsatzverfahren zur Klassifizierung antibiotischer Wirkmechanismen präsentiert. Hierzu wurden Escherichia coli mit einem Satz klinisch relevanter Antibiotika und mit einem kurzen kationischen Peptid mit unbekanntem Wirkmechanismus behandelt, und mit SAXS untersucht. Mithilfe einer Hauptkomponentenanalyse konnten die Antibiotika anhand ihrer morphologischen Änderungen klassifiziert werden. Die hierfür relevanten Zellstrukturen konnten durch Korrelation mit Transmissionselektronenmikroskopie und zonenplattenbasierter Röntgenmikroskopie (TXM) identifiziert werden. Ein einfaches Modell erlaubte es, aus Kleinwinkelstreukurven ganzer E. coli den Volumenanteil und die Anzahl wichtiger Zellkomponenten (DNS und Ribosomen) zu extrahieren. In der Röntgenstreukammer HORST wurde kryo-SAXS im weichen Röntgenbereich etabliert, um kryogene biologische Proben, zusammen mit der existierenden kryo-TXM Einheit, korrelativ in Real- und Fourierraum zu untersuchen.

Translation of abstract (English)

Multi-drug resistant pathogens are currently undermining our health care system worldwide and novel antimicrobial drugs with new modes of action are urgently needed. During drug development, large sets of antibiotic substances may be created but it is a costly and time consuming challenge to identify the new action motifs. This thesis explores the use of small angle X-ray scattering (SAXS) as a high throughput approach to classify antibiotic modes of action. Escherichia coli were treated with a set of clinically relevant antibiotics and a short cationic peptide with currently unknown mode of action and investigated with SAXS. The observed morphological alterations were classified using a principle component analysis. A correlation with transmission electron microscopy and zoneplate based X-ray microscopy (TXM) allowed to identify the relevant cellular structures. A simplified model allowed to extract, the number and the occupied volume of relevant cellular structures (DNA and ribosomes) from the scattering curve of whole E. coli cells. In the scattering chamber HORST soft X-ray cryo SAXS was established to study vitrified biological samples in tandem with the existing cryo TXM unit.