Hochgiftiges aus Meeresschwämmen

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.

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