Neue pharmazeutische Wirkstoffe aus Bakterien im Moor

Viele der wichtigsten Medikamente - allen voran Antibiotika - basieren auf Stoffen, die Bakterien in der Natur produzieren. Die Mikroorganismen nutzen diese Wirkstoffmoleküle als biochemische Waffen gegen Konkurrenten, oder sie binden mit ihnen Nährstoffe aus der Umgebung.

Wie groß der mikrobielle Werkzeugkasten aus extremen Lebensräumen ist, zeigt eine neue Untersuchung eines Forschungsteams des Exzellenzclusters "Balance of the Microverse" der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU), an der die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU), die University of Delaware und das Deutsche Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig beteiligt sind. Die Forschenden nahmen dabei das Erbgut von Bakterien aus einem Moor unter die Lupe.

Für ihre Analyse untersuchten die Wissenschaftler Torfproben aus dem Schlöppnerbrunnen-Moor im bayerischen Fichtelgebirge. Mithilfe von Hochdurchsatz-Sequenzierungen und sogenannter Metagenomik - hierbei wird das Erbgut einer gesamten Lebensgemeinschaft direkt aus einer Umweltprobe analysiert - entschlüsselten sie das Genom der dortigen Mikroben.

Sie stießen, nach Aussonderung unvollständiger Fragmente, auf knapp mehr als 8.000 sogenannte biosynthetische Gencluster: Erbgutabschnitte, die die Maschinerie für die Synthese von biologisch aktiven Verbindungen kodieren. Was die Forschenden überraschte: Etwa 97 Prozent davon ließen sich keiner bisher bekannten Gencluster-Familie zuordnen. Sie stellen eine bislang unkartierte biochemische Landschaft dar. "Schon ein kleines Moor beherbergt eine erstaunliche Vielfalt an Naturstoffbauplänen. Viele stammen von Mikroorganismen, die wir im Labor bisher nur schwer untersuchen können", erläutert Erstautor Zander Human von der FSU.

Ein Bauplan im Erbgut bedeutet allerdings nicht automatisch, dass der entsprechende Stoff in der Natur auch gebildet wird. Die Studienautoren gingen deshalb einen Schritt weiter und analysierte die sogenannte Boten- oder Messenger-RNA (mRNA), um die aktiv genutzten Gene im Moor zu erfassen. Ihr bemerkenswertes Ergebnis: Nur etwa 9 bis 27 Prozent der nachgewiesenen Gencluster waren überhaupt aktiv. Bakteriengruppen, die ein großes genetisches Potential für Naturstoffe aufwiesen - mit teils über 20 verschiedenen Bauplänen im Genom -, wiesen im Moor dagegen nur eine begrenzte Stoffwechselaktivität auf.

Stattdessen dominierten sogenannte Acidobakterien: Obwohl sie im Vergleich kleinere Gen-Repertoires besitzen, stammten gut zwei Drittel der gemessenen Gensignale von ihnen. Die Daten zeigen zudem ein klares Muster: Die Acidobakterien fuhren die Gene, mit denen sie Naturstoffe produzieren, vor allem dann hoch, wenn sie zeitgleich Enzyme zum Abbau komplexer Pflanzenreste nutzten. Beide Prozesse sind also offenbar direkt miteinander gekoppelt.

"Die Zahl der Baupläne allein verrät wenig darüber, was ein Mikroorganismus in seinem Lebensraum tatsächlich macht. Wir müssen auch verstehen, unter welchen Bedingungen er diese Gene einschaltet", betont Korrespondenzautor Dr. Carl-Eric Wegner von der FSU und der HHU; er war einer der Studienleiter. Er leitete ein mit dem Exzellenzcluster "Balance of the Microverse" assoziiertes Teilprojekt. Der in Jena ansässige Cluster erforscht, wie mikrobielle Gemeinschaften miteinander interagieren und so das Gleichgewicht in komplexen Ökosystemen aufrechterhalten. Wegner setzte seine Arbeiten an dem Thema fort, nachdem er nach Düsseldorf wechselte.

"Moore sind dynamische Lebensräume mit scharfen Umweltgradienten - etwa beim Sauerstoffgehalt oder den verfügbaren Nährstoffen. Unsere Studie zeigt eindrücklich, dass die Produktion von Naturstoffen nicht isoliert stattfindet, sondern eng in das physiologische Gleichgewicht und die Stoffkreisläufe der Mikroben eingebunden ist", erklärt Prof. Dr. Kirsten Küsel von der FSU, Koautorin der Studie und Sprecherin des Exzellenzclusters.

Die Studie liefert wichtige Erkenntnisse für die pharmazeutische Biotechnologie bei der gezielten Suche nach künftigen Arzneistoffen. Bisher konzentrierte sich die Naturstoffforschung vor allem auf das Genom-Screening bekannter Bakteriengruppen wie Aktinobakterien oder Pseudomonaden, die eine große Zahl biosynthetischer Gencluster in ihrem Genom tragen. Dr. Zander Human von der FSU, Erstautor der Studie: "Es zeigte sich, dass es nicht ausreicht, nur nach den Genomen mit den meisten Bauplänen zu suchen. Entscheidend ist vielmehr, unter welchen ökologischen Bedingungen Mikroben ihre 'genetische Werkzeugkiste' öffnen. So rücken bisher vernachlässigte Gruppen wie die Acidobakterien rücken in den Fokus der Naturstoffforschung."

Carl-Eric Wegner: "Diese vermeintlich talentierten Produzenten bleiben in ihrer natürlichen Umwelt jedoch meist stumm. Dies bedeutet für die Praxis: Um die stillen Gencluster im Labor aktivieren zu können, müssen wir gezielt die passenden ökologischen Reize ihres natürlichen Lebensraums nachahmen - etwa indem komplexe Pflanzenfasern oder spezifische Nährstoffreize zugesetzt werden. Zudem eröffnen die bisher meist vernachlässigte und schwer kultivierbare Stammgruppen wie die Acidobakterien möglicherweise den Zugang zu völlig neuartigen Molekülklassen, die künftig etwa im Kampf gegen resistente Keime oder schwere Entzündungskrankheiten dienen können."

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Quelle: Universität Düsseldorf