Investigating archaeal ether lipids for next-generation nanocarrier systems

Abstract

Ein bedeutsames Unterscheidungsmerkmal der Domäne Archaea ist die Einbindung spezieller Lipide in ihren Zellmembranen. Diese Lipide enthalten eine Etherbindung zwischen der Glycerineinheit und der auf Isoprenoidbausteinen basierenden Radylkette und kommen als Doppelschicht-bildende Dietherlipide und Monoschicht-bildende Tetraetherlipide vor, wodurch Archaeen extremen Umgebungen widerstehen können. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wurden sie als Bestandteile von Lipid-Nanoträgersystemen für die Verabreichung einer Vielzahl von therapeutischen Wirkstoffen untersucht. Ihre organische Synthese ist jedoch mit technischen Herausforderungen verbunden, die eine biotechnologische Herstellung erforderlich machen. Dieser Prozess beginnt mit der Kultivierung von Archaeen, gefolgt von der Lipidextraktion und der Formulierung von Lipid-Nanocarriern. In dieser kumulativen Dissertation wurden mehrere Aspekte des Produktionsprozesses von Lipid-Nanocarriern, die Etherlipide aus Archaeen enthalten, behandelt und untersucht. Zunächst wurde ein gut charakterisierter Bioprozess mit Sulfolobus acidocaldarius als Wirt verwendet, um metabolische Engpässe und physiologische Reaktionen in Gegenwart hoher Nährstoffkonzentrationen zu identifizieren. Auf diese Weise konnten entscheidende Stoffwechselwege und Parameter identifiziert werden, die sich auf die weitere Optimierungsversuche von Bioprozessen und Stämmen auswirken. Auf der Suche nach neuen Quellen für Etherlipide wurde die biotechnologische Nutzung von Metallosphaera sedula durch die Entwicklung eines definierten Kultivierungsmediums und die erste vollständige Beschreibung dessen Lipidkomposition ermöglicht. Darüber hinaus wurde das Fragmentierungsverhalten von synthetischen und natürlich vorkommenden Dietherlipiden untersucht, was sich auf die Identifizierung und Charakterisierung neuartiger Dietherlipid-Spezies und die Lipidanalytik im Produktionsprozess auswirkt. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung und Untersuchung von Lipid-Nanocarriern, die Etherlipide aus Archaeen enthalten, einschließlich der Entwicklung von liposomalem Cannabidiol und Lipidnanopartikel für die Verabreichung von mRNA. Es konnte gezeigt werden, dass Archaeosome erhebliche Vorteile bei der Verabreichung lipophiler therapeutischer Substanzen bieten, eine hohe Stabilität bei langfristiger Lagerung und in gastrointestinalen Flüssigkeiten aufweisen, sowie eine hohe zelluläre Aufnahme in Kolonendothelzellen ermöglichen. Im Hinblick auf die mRNA-Verabreichung wurden starke Belege für die positiven Auswirkungen von Ether lipiden aus Archaeen auf die Endozytose und die endosomale Freisetzung gefunden, was dazu beiträgt, die Transfektionseigenschaften moderner Vehikel zu verbessern. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese kumulative Dissertation zum grundlegenden Verständnis des Stoffwechsels von S. acidocaldarius beigetragen und die heterotrophe Kultivierung von M. sedula ermöglicht hat. Darüber hinaus wurden wichtige mechanistische Fragmentierungsmuster von Dietherlipiden identifiziert. Schließlich wurde ihr Anwendungsbereich auf die Verabreichung von lipophilen Therapeutika und mRNA ausgeweitet, was die vorteilhaften Auswirkungen dieser Lipide verdeutlicht.

A distinguishing feature of the domain Archaea is the incorporation of distinct lipids in their cell membranes. These lipids contain an ether bond between the glycerol moiety and an isoprenoid-based radyl chain and occur as bilayer-spanning diether lipids and monolayer-spanning tetraether lipids, allowing archaea to withstand extreme environments. Due to their unique properties, they have been investigated as components in lipid nanocarrier systems for the delivery of a variety of therapeutic agents. However, their organic synthesis is associated with technical challenges, necessitating biotechnological production. This process begins withthe cultivation of archaea, followed by lipid extraction and the formulation of lipid nanocarriers. In this cumulative thesis, several aspects of the production process of lipid nanocarriers incorporating archaeal ether lipids were covered and investigated. First, a well-characterized lipid production process using Sulfolobus acidocaldarius as a host was used to identify metabolic bottlenecks and physiological responses in the presence of high nutrient concentrations. This helped identify crucial metabolic pathways and parameters, with implications for further bioprocess and strain optimization to increase lipid yields. Additionally in the search for novel sources for archaeal ether lipids, the biotechnological utilization of Metallosphaera sedula was enabled by developing a defined cultivation mediumand describing the first complete lipid composition of the organism, confirming the high presence of tetraether lipids. Furthermore, the fragmentation behavior of synthetic and naturally occurring diether lipids was studied, with implications for identifying and characterizing novel diether lipid species and lipid qualification in the production process. A strong focus was placed on the development and investigation of lipid nanocarriers containing archaeal ether lipids, including the development of liposomal cannabidiol and the delivery of mRNA after parenteral administration. It was shown that archaeosomes provide substantial benefits in delivering lipophilic substances, providing high stability during long-term storage and in gastrointestinalfluids, and enabling high cellular uptake in colonic endothelial cells. In regard to mRNA delivery, strong support was found for their beneficial effects on endocytosis and endosomal escape, helping to enhance the transfection properties of state-of-the-art delivery vehicles. In conclusion, this cumulative thesis contributed to the fundamental understanding of the metabolism of S. acidocaldarius and enabled the heterotrophic cultivation of M. sedula. Furthermore, keymechanistical fragmentation patterns of diether lipids were identified. Finally, their application scope was expanded to include the delivery of lipophilic therapeutics and mRNA, highlighting the beneficial effects of these lipids in drug delivery systems.