Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die Verknüpfung von Molekülen und Mikroben

18.08.2015

Mikroben sind die ältesten und erfolgreichsten Organismen auf unserem Planeten. Sie kommunizieren und wirken aufeinander ein, indem sie sich der Chemie als Sprache bedienen. Das Verständnis dieser komplexen Interaktionen in der Natur ist noch immer eine große Herausforderung. Die Produktion bestimmter Moleküle individuellen bakteriellen Zellen oder zumindest Zellpopulationen in komplexen Umweltproben zuzuordnen, spielt dabei eine Schlüsselrolle. Wissenschaftler konnten jetzt die Verteilung von Antibiotika und ihrer Produzenten in natürlichen Proben gleichzeitig sichtbar machen.

Mikroben sind die ältesten und erfolgreichsten Organismen auf unserem Planeten. Sie kommunizieren und wirken aufeinander ein, indem sie sich der Chemie als Sprache bedienen. Während die Forschung in den letzten Jahrzehnten faszinieren Einblicke in die chemischen Wechselwirkungen von Mikroorganismen im Labor ermöglichte, ist das Verständnis der komplexen Interaktionen in der Natur noch immer eine große Herausforderung.


Die Verteilung der Symbiontenzellen (weiße Flecken) und der Antibiotika, die sie produzieren (Wärmekarte in Falschfarben) auf der Oberfläche eines Bienenwolfkokons (Philanthus triangulum).

Martin Kaltenpoth und Aleš Svatoš / Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Die Produktion bestimmter Moleküle individuellen bakteriellen Zellen oder zumindest Zellpopulationen in komplexen Umweltproben zuzuordnen, spielt dabei eine Schlüsselrolle. Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie ist in Zusammenarbeit mit der Firma Thermo Fisher Scientific ein entscheidender Schritt in diese Richtung gelungen: Sie konnten die Verteilung von Antibiotika und ihrer Produzenten in natürlichen Proben gleichzeitig sichtbar machen. (The ISME Journal, Juli 2015).

Seit der Entdeckung des Penicillins durch Alexander Fleming im Jahr 1928 haben Antibiotika die Humanmedizin revolutioniert, indem sie die erfolgreiche Behandlung zahlreicher Infektionskrankheiten ermöglichten. Die medizinische Anwendung von Antibiotika führte zu der Annahme, dass diese Verbindungen in der Natur von den produzierenden Mikroorganismen ebenfalls als Waffen im Kampf gegen konkurrierende Lebewesen eingesetzt werden.

Allerdings zeigten Entdeckungen aus jüngerer Zeit, dass geringe Mengen antibiotischer Substanzen die Genexpression des Zielorganismus beeinflussen können, ohne diesen zu schädigen. Dies legt nahe, dass die Substanzen Signalfunktionen haben könnten.

Im Allgemeinen ist trotz der immensen Bedeutung für die Humanmedizin wenig über die Ökologie von Antibiotika bekannt, insbesondere was ihre Funktionen im natürlichen Kontext betrifft. Ein Hauptproblem stellt dabei die Schwierigkeit dar, Antibiotika in komplexen Umweltproben zu entdecken und zu quantifizieren, und darüber hinaus ihre Produktion und ihre Wirkung in situ zu beobachten.

Um genau dies zu erreichen, konzentrierten sich die Wissenschaftler auf ein vergleichsweise einfaches System, an dem nur eine begrenzte Anzahl von interagierenden Lebewesen beteiligt ist: die Verteidigungs-Allianz zwischen Europäischen Bienenwölfen Philanthus triangulum, einer Grabwespenart, und Bakterien der Gattung Streptomyces (siehe frühere Pressemitteilungen „Bienenwolf schützt sich mit Antibiotika“ von Februar 2010 und „Treue Partner seit der Kreidezeit“ von April 2014).

In dieser Symbiose werden die Bakterien in speziellen Reservoiren in den Antennen weiblicher Bienenwölfe kultiviert und später auf die Kokons des sich entwickelnden Nachwuchses übertragen. So ist der Bienenwolfnachwuchs während der langen Periode des Überwinterns im Boden vor Schimmelpilzen geschützt. Die Kenntnis über die Anwesenheit der Symbiose-Bakterien sowie der Antibiotika, die sie auf dem Bienenwolfkokon produzieren, stellte eine ausgezeichnete Grundlage für die Wissenschaftler dar, eine Methode für die gleichzeitige Lokalisierung bakterieller Zellen und ihrer Stoffwechselprodukte in einer Umweltprobe zu entwickeln.

Die Messung der Antibiotika auf dem Bienenwolfkokon wurde mit Hilfe bildgebender massenspektrometrischer Verfahren (MS Imaging) bewerkstelligt. Es handelt sich dabei um eine Analysetechnik, die einen eng fokussierten Laserstrahl nutzt, um Verbindungen von der Oberfläche einer Probe zu trennen und sie zu ionisieren und die daraus resultierenden Molekülionen in einem Massenspektrometer zu analysieren.

„Obwohl die laterale Auflösung des MS-Imaging immer noch begrenzt ist, hat es ein enormes Potenzial für das Aufspüren und Sichtbarmachen von chemischen Verbindungen in der Natur, weil es ein breites Einsatzspektrum für eine Vielzahl von Substanzen gibt“, kommentiert Aleš Svatoš, der Leiter der Arbeitsgruppe Massenspektrometrie. Auf der äußeren Oberfläche von Bienenwolfkokons konnte das MS-Imaging eine ungleichmäßige, aber ausgedehnte Verbreitung der Antibiotika Piericidin A1 und B1 nachweisen.

Anschließend wurden die Kokons einer Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) unterzogen: Indem man mit Hilfe eines Fluoreszenzfarbstoffs markierte Sonden an die RNA der Bakterien bindet, können individuelle Symbiontenzellen unter dem Fluoreszenzmikroskop sichtbar gemacht werden. Durch das Anbringen von Farbmarkierungen an den Proben, die sowohl im MS-Imaging als auch in der FISH sichtbar sind, konnten die Wissenschaftler die resultierenden Bilder beider Verfahren kombinieren. Auf diese Art und Weise wurden die individuellen Symbiontenzellen sowie die Menge der sie umgebenden Antibiotika gleichzeitig sichtbar gemacht.

„Beide Methoden waren vorher bekannt, aber keiner hatte sie bisher miteinander kombiniert. Die Stärke dieses Ansatzes liegt vor allem darin, dass FISH das Potenzial hat, individuelle Zellen in komplexen Proben zu lokalisieren und zu identifizieren, während das MS-Imaging gleichzeitig die Detektion ökologisch relevanter chemischer Verbindungen erlaubt“, meint Martin Kaltenpoth, der Leiter der Max-Planck-Forschungsgruppe Insektensymbiosen war und inzwischen Professor an der Universität Mainz ist.

Die Welt ist voller Mikroorganismen, und diese Kleinstlebewesen haben einen enormen Einfluss auf alles Leben auf unserem Planeten. Das Verständnis darüber, wie sie miteinander und mit anderen, mehrzelligen Lebewesen in Wechselwirkung treten, stellt daher eine fundamentale Frage in der Biologie dar. Das Aufspüren und Sichtbarmachen von natürlichen chemischen Verbindungen und die gleichzeitige Identifizierung ihrer mikrobiellen Produzenten ist ein wichtiger erster Schritt, um irgendwann einmal solche komplexen Wechselwirkungen direkt beobachten zu können. Dann könnten wir irgendwann auch die ursprünglichen Funktionen von antibiotischen Substanzen und vieler anderer von Mikroorganismen produzierten Verbindungen in der Natur verstehen. [MK/AO]

Originalveröffentlichung:
Kaltenpoth, M., Strupat, K., Svatoš, A. (20159. Linking metabolite production to taxonomic identity in environmental samples by (MA)LDI-FISH. The ISME Journal,
doi: 10.1038/ismej.2015.122.
http://dx.doi.org/10.1038/ismej.2015.122

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Martin Kaltenpoth, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, Johann-Joachim-Becher-Weg 13, 55128 Mainz, Tel. +49 6131 3924411, E-Mail mkaltenp@uni-mainz.de
Dr. Aleš Svatoš, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena, Germany, Tel. +49 3641 57-1700, E-Mail svatos@ice.mpg.de

Kontakt und Bildanfragen:
Angela Overmeyer M.A., Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07743 Jena, +49 3641 57-2110, E-Mail overmeyer@ice.mpg.de

Download von hochaufgelösten Fotos über
http://www.ice.mpg.de/ext/downloads2015.html

Weitere Informationen:

http://www.ice.mpg.de/ext/insect-symbiosis.html?&L=1 (Max-Planck-Forschungsgruppe Insektensymbiose)
http://www.oekologie.biologie.uni-mainz.de/ (Johannes Gutenberg-University Mainz, Department of Ecology)

Angela Overmeyer | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Zirkuläre RNA wird in Proteine übersetzt
24.03.2017 | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

nachricht Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen
24.03.2017 | Universität Bayreuth

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise