Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gezielter Griff nach dem gesuchten Gen

30.04.2012
Naturstoffe einfacher untersuchen: Bakterienforscher entwickeln verbesserte DNA-Technik

Zielgerichteter Austausch von DNA-Abschnitten statt mühsamer Suche: Deutsche und chinesische Wissenschaftler haben eine Technik zur direkten Isolierung von Erbinformation aus komplexen Gemischen verschiedener Bakterienarten entwickelt.

Bestimmte Stoffe, die von Bakterien produziert werden und die beispielsweise als Antibiotika oder Chemotherapeutika medizinisch genutzt werden können, lassen sich mit Hilfe der neuen Methode leichter im Labor herstellen. Die Forscher beschreiben diese neu entwickelte Technik jetzt in der Fachzeitschrift Nature Biotechnology.

Die Methode ist eine gemeinsame Entwicklung von Wissenschaftlern des Helmholtz-Instituts für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS) – einer Außenstelle des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) – sowie des Biotechnologischen Zentrums der Technischen Universität Dresden, des College of Life Science in Hunan/China und der Firma Gene Bridges in Heidelberg. Beteiligt waren die Arbeitsgruppen von Prof. Rolf Müller, Prof. Francis Stewart und Dr. Youming Zhang.

Neben dem primären Stoffwechsel, der beispielsweise die Grundlagen des Energiehaushaltes und der Vermehrung beinhaltet, verfügen Bakterien noch über eine Vielzahl sekundärer Stoffwechselwege. Die Produkte dieser Stoffwechselwege brauchen die Bakterien nicht unbedingt zum Überleben, aber sie dienen ihnen zur besseren Anpassung an ihren Lebensraum. Viele dieser sekundären Stoffwechselprodukte sind pharmazeutisch nutzbare Substanzen. Sie lassen sich zum Beispiel als Antibiotika oder Chemotherapeutika einsetzen. Zur Charakterisierung und Untersuchung auf eine mögliche medizinische Wirksamkeit müssen Forscher zunächst größere Mengen dieser Stoffe herstellen und isolieren. Ihre Gewinnung aus den Bakterien ist aber in der Regel schwierig, weil die genauen Bedingungen, unter denen die Sekundärstoffe produziert werden, meist unbekannt sind. Daher isolieren die Wissenschaftler häufig die betreffenden Bakterien-Gene, welche für die Produktion der gesuchten Substanz zuständig sind, und übertragen diese in einen leicht kultivierbaren Bakterienstamm, der die Substanz dann im Erfolgsfall herstellt.

Bislang nutzten Wissenschaftler hierzu sogenannte DNA-Bibliotheken, die das gesamte Erbgut eines Organismus in Bruchstücken enthalten. Nach Erstellen der Bibliothek mussten die Forscher sie nach dem Kandidatengen durchsuchen. War das Gen in vollständiger Form vorhanden, mussten sie es in ein spezielles Transfer-DNA-Molekül einbauen und in die Zielbakterien übertragen. Für Naturstoffe ergibt sich ein zusätzliches Hindernis: „Häufig sind für die Herstellung der Sekundärstoffe recht viele Gene notwendig, sogenannte Gencluster. Deren Isolierung machte große Schwierigkeiten“, erklärt Rolf Müller, Geschäftsführender Direktor des HIPS und Leiter der Abteilung Mikrobielle Naturstoffe.

In Zeiten der Hochdurchsatzsequenzierung sind die vollständigen Erbgutsequenzen vieler Bakterien bereits bekannt – und damit theoretisch auch tausende Stoffwechselwege für Sekundärstoffe. Durch die nun beschriebene Methode der sogenannten direkten DNA-Klonierung lassen sich die Gene für die Sekundärstoffbildung gezielt isolieren und weiterverarbeiten. Der langwierige Umweg über eine DNA-Bibliothek entfällt.

Die beteiligten Wissenschaftler Xiaoying Bian vom HIPS und Jun Fu vom Biotechnologischen Zentrum der Technischen Universität Dresden sowie ihre Forscher-Kollegen verbesserten dazu die patentierte Technik der homologen Rekombination: Bestimmte Enzyme können dazu genutzt werden, einen Gen-Abschnitt gegen einen anderen, ähnlich aufgebauten Abschnitt auszutauschen. Ist die Abfolge der Bausteine am Anfang und Ende eines näher zu untersuchenden Gens bekannt, kann – vereinfacht gesagt – ein ähnlich aufgebauter DNA-Abschnitt konstruiert und enzymatisch ausgetauscht werden. Diese Methode ist im Prinzip nicht neu. Allerdings waren die bislang verwendeten Enzyme Red-alpha und Red-beta nicht effektiv genug, um diesen Ansatz für die Isolierung großer DNA-Abschnitte und die anschließende Herstellung von Naturstoffen im Labor zu nutzen. Die Forscher haben jetzt entdeckt, dass sich bestimmte Varianten der beiden Enzyme RecE und RecT hierfür weitaus besser eignen als Red-alpha und Red-beta.

„Die verbesserte direkte Klonierung erleichtert und verkürzt es ungemein, interessante Sekundärstoffe zu isolieren und zu charakterisieren“, sagt Xiaoying Bian, einer der Erstautoren der Studie vom HIPS. „Der große Aufwand, eine DNA-Bibliothek zu erstellen und zu durchsuchen, entfällt jetzt.“ HIPS-Direktor Rolf Müller ergänzt: „Weil viele krankheitserregende Bakterien mittlerweile Resistenzen gegen die gängigen Antibiotika entwickelt haben, ist die Entdeckung von neuen Substanzen im Kampf gegen Infektionen von enormer Bedeutung. Der von uns genutzte Ansatz ermöglicht es, mit Hilfe der mittlerweile von vielen Mikroorganismen verfügbaren Genomsequenzen zielstrebig nach neuen Substanzen zu suchen.“

Mit der vereinfachten Methode haben die Forscher bereits mehrere Gencluster aus dem Leuchtbakterium Photorhabdus luminescens auf direktem Wege in Escherichia coli-Bakterien transferiert. Dabei identifizierten sie die beiden bisher unbekannten Sekundärstoffe Luminmycin A und Luminmide A/B.

Obwohl die jetzt veröffentlichte Studie zunächst nur die Möglichkeiten der Methode veranschaulicht, macht sie auch Hoffnung auf neue, als Antibiotika nutzbare Naturstoffe und damit auf Fortschritte bei der Bekämpfung von Infektionskrankheiten.

Originalpublikation: Jun Fu, Xiaoying Bian, Shengbaio Hu, Hailong Wang, Fan Huang, Philipp M Seibert, Alberto Plaza, Liqiu Xia, Rolf Müller, A Francis Stewart & Youming Zhang (2012) Full-length RecE enhances linear-linear homologous recombination and facilitates direct cloning and bioprospecting, Nature Biotechnology, DOI: 10.1038/nbt2183

Das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung:
Am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) untersuchen Wissenschaftler die Mechanismen von Infektionen und ihrer Abwehr. Was Bakterien oder Viren zu Krankheitserregern macht: Das zu verstehen soll den Schlüssel zur Entwicklung neuer Medikamente und Impfstoffe liefern.
www.helmholtz-hzi.de

Das Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland
Das Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS) ist eine Außenstelle des Helmholtz- Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig und wurde gemeinsam mit der Universität des Saarlandes im Jahr 2009 gegründet. Wo kommen neue nachhaltige Wirkstoffe gegen weit verbreitete Infektionen her, wie kann man diese für die Anwendung am Menschen optimieren und wie werden sie am besten durch den Körper zum Wirkort transportiert? Auf diese Fragen suchen die Forscher am HIPS mit modernsten Methoden der pharmazeutischen Wissenschaften Antworten.
www.helmholtz-hzi.de/HIPS

Ansprechpartner: Manfred Braun/HZI, 0531/6181-1401; presse@helmholtz-hzi.de

Manfred Braun | Helmholz-Zentrum
Weitere Informationen:
http://www.helmholtz-hzi.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Fettleber produziert Eiweiße, die andere Organe schädigen können
18.08.2017 | Deutsches Zentrum für Diabetesforschung

nachricht Auf dem Weg zu künstlichem Gewebe- und Organersatz aus dem 3D-Drucker
18.08.2017 | Ernst-Abbe-Hochschule Jena

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: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern

17.08.2017 | Physik Astronomie

Fake News finden und bekämpfen

17.08.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Effizienz steigern, Kosten senken!

17.08.2017 | Messenachrichten