Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hochgiftiges aus Meeresschwämmen

14.09.2012
Meeresschwämme beherbergen Bakterien, deren Ausscheidungen sie als tödliche Waffe nutzen.

Forscher der Universität Bonn entschlüsselten nun federführend, wie die winzigen Einzeller diese ungewöhnlich komplexen chemischen Substanzen produzieren: Sie stellen zunächst einfache Ketten von Aminosäuren her, die sie mit nur wenigen verschiedenen Enzymen zu wahren biochemischen Kunstwerken umbauen.


Entdeckten ungewöhnliche Bakterien-Werkzeuge: Dr. Christian Gurgui, Prof. Dr. Jörn Piel, Michael Freeman, Maximilian Helf, Brandon Morinaka und Agustinus Uria im Labor (von links).

(c) Foto: Volker Lannert/Uni Bonn

Die Wissenschaftler sehen die Chance, mit diesen Bakterien-Werkzeugen auf eine einfache und effiziente Weise neuartige biochemische Stoffe herzustellen. Die Ergebnisse erscheinen bald in der renommierten Zeitschrift „Science “ und sind bereits jetzt bei „ScienceExpress“ online verfügbar.

Schwämme im Meer erweisen sich als eine wahre Fundgrube für neuartige Wirkstoffe. Die scheinbar so stoischen Lebewesen führen ihre Schlachten ganz im Stillen: Sie nisten Bakterienkolonien in ihre Hohlräume ein. „Mit deren Hilfe produzieren die Schwämme verschiedenste Gifte, die etwa Feinde und Konkurrenten abwehren“, berichtet Prof. Dr. Jörn Piel vom Kekulé-Institut für Organische Chemie und Biochemie der Universität Bonn. Sein Team untersuchte mit der Medizinischen Mikrobiologie der Universität Bonn und Kollegen der Universitäten Nottingham (England) und Tokyo (Japan) so genannte „Polytheonamide“, die in dem Schwamm Theonella swinhoei produziert werden.

„Wohngemeinschaft“ aus Schwamm und Bakterien

Organismen, die mit dem Meeresschwamm in einer Art „Wohngemeinschaft“ leben, stellen diese Substanzen her. Polytheonamide sind eine chemische Waffe des Schwamms und für lebende Zellen außerordentlich giftig. „Bei dieser Stoffgruppe handelt es sich um komplexe Naturstoffe mit einer äußerst ungewöhnlichen Struktur“, erklärt der Biochemiker von der Universität Bonn. Wie auf einer Perlenkette sind verschiedene Aminosäuren aufgereiht, die zusammen das Peptid bilden. Allerdings ist diese Kette nicht schnurgerade, sondern in sich spiralenartig verbogen. Mit verantwortlich sind ungewöhnliche Bausteine in der D-Form, die neben der normalen L-Form vorkommen. „Die Formen beschreiben die räumliche Anordnung der Atome in Molekülen und verhalten sich wie Bild und Spiegelbild“, sagt Prof. Piel. „Die Stellung der Atome im Raum ist wichtig für die Eigenschaften dieser Verbindungen.“

Sechs Kandidaten machen 48 nachträgliche Abwandlungen

Normalerweise werden Peptide in den Ribosomen der Bakterien produziert. Diese kleinen zellulären Maschinen fügen Aminosäuren nach dem im Erbgut festgeschriebenen Bauplan zu langen Ketten (Peptiden) zusammen. Dabei werden allerdings ausschließlich Aminosäuren in der L-Form eingebaut. „Auch deshalb ging die Wissenschaft bislang davon aus, dass Polytheonamide als hochkomplexe chemische Gebilde unmöglich über den einfachen ribosomalen Weg hergestellt werden können“, berichtet Prof. Piel. „Wir haben nun aber mit genetischen und biochemischen Analysen nachgewiesen, dass diese Substanzen doch über einen solchen Weg in Bakterien hergestellt werden.“
Dies gelingt den winzigen Organismen mit einem Trick: Sie produzieren zunächst mit ihren Ribosomen eine relativ einfache Aminosäurekette – wie ein Bildhauer, der zuerst mit einer groben Axt das Holz bearbeitet. Anschließend beginnt dann die Feinarbeit mit den kleineren Schnitzmessern. Damit aus dem gewöhnlichen Peptid hochkomplexe Polytheonamide als biochemischem Kunstwerk herauskommen, führen die Bakterien insgesamt 48 komplizierte Modifikationen an dem Aminosäurestrang durch. „Es handelt sich um die höchstmodifizierten Peptide, die bislang bekannt sind“, sagt der Biochemiker der Universität Bonn.

Sechs Enzyme als wahre Verwandlungskünstler

Enzyme sorgen in den lebenden Zellen dafür, das alles glatt läuft. Sie steuern biochemische Reaktionen, indem sie bestimmte Reaktionswege beschleunigen und erleichtern. Die Ergebnisse der Wissenschaftler zeigen nun, dass nur sechs Enzyme in den Bakterien ausreichen, um sämtliche 48 Abwandlungen für die Produktion der Polytheonamide vorzunehmen. „Diese sechs Kandidaten sind wahre Verwandlungskünstler: Effektiver kann eine komplexe Peptidsynthese kaum ablaufen“, sagt Prof. Piel. Die Struktur der Substanz erklärt auch ihre toxische Wirkung: Durch die Modifikationen des Aminosäurestrangs entstehen winzige Röhrchen, die sich in die feindliche Zelle schieben und sie dann abtöten.

Ein neues biochemisches Baukastensystem

Für den Wissenschaftler der Universität Bonn ist klar: Die Lehrbücher müssen nun teilweise umgeschrieben werden. „Wir haben mit den Polytheonamiden eine ganz neue Naturstoffklasse entschlüsselt, die zudem weit verbreitet ist“, sagt Prof. Piel. „Damit ergeben sich vollkommen neue Ansätze in der Biochemie.“ Die Wissenschaftler wollen nun noch genauer verstehen, wie die sechs Enzyme arbeiten. Sie hoffen, dass sie mit diesen biochemischen Werkzeugen auch andere Peptide in eine gewünschte Form bringen können. Das erinnert dann ein bisschen an das Baukastensystem mit den bunten Kunststoffklötzchen, die sich in fast jedem Kinderzimmer befinden. „Mithilfe der nun gefundenen Enzyme als biochemischem Baukastensystem wollen auch wir komplexe Gebilde nach unseren Vorstellungen zusammenbauen“, hofft der Forscher der Universität Bonn.
Publikation: Metagenome mining reveals polytheonamide as posttranslationally modified ribosomal peptides, Science Express, DOI: 10.1126/science.1226121

Kontakt:

Prof. Dr. Jörn Piel
Kekulé-Institute für
Organische Chemie und Biochemie
Tel. 0228/73-2652
E-Mail: joern.piel@uni-bonn.de

Johannes Seiler | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-bonn.de
http://www.sciencemag.org/content/early/2012/09/12/science.1226121.full

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Auf der molekularen Streckbank
24.02.2017 | Technische Universität München

nachricht Sicherungskopie im Zentralhirn: Wie Fruchtfliegen ein Ortsgedächtnis bilden
24.02.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

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: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie