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 Parasit tarnt sich durch Umstrukturierung
18.10.2018 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Was macht Graphen in der Lunge?
18.10.2018 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

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: Größter Galaxien-Proto-Superhaufen entdeckt

Astronomen enttarnen mit dem ESO Very Large Telescope einen kosmischen Titanen, der im frühen Universum lauert

Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Olga Cucciati vom Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) Bologna hat mit dem VIMOS-Instrument am Very Large...

Im Focus: Auf Wiedersehen, Silizium? Auf dem Weg zu neuen Materalien für die Elektronik

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben zusammen mit Wissenschaftlern aus Dresden, Leipzig, Sofia (Bulgarien) und Madrid (Spanien) ein neues, metall-organisches Material entwickelt, welches ähnliche Eigenschaften wie kristallines Silizium aufweist. Das mit einfachen Mitteln bei Raumtemperatur herstellbare Material könnte in Zukunft als Ersatz für konventionelle nicht-organische Materialien dienen, die in der Optoelektronik genutzt werden.

Bei der Herstellung von elektronischen Komponenten wie Solarzellen, LEDs oder Computerchips wird heutzutage vorrangig Silizium eingesetzt. Für diese...

Im Focus: Goodbye, silicon? On the way to new electronic materials with metal-organic networks

Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz (Germany) together with scientists from Dresden, Leipzig, Sofia (Bulgaria) and Madrid (Spain) have now developed and characterized a novel, metal-organic material which displays electrical properties mimicking those of highly crystalline silicon. The material which can easily be fabricated at room temperature could serve as a replacement for expensive conventional inorganic materials used in optoelectronics.

Silicon, a so called semiconductor, is currently widely employed for the development of components such as solar cells, LEDs or computer chips. High purity...

Im Focus: Blauer Phosphor – jetzt erstmals vermessen und kartiert

Die Existenz von „Blauem“ Phosphor war bis vor kurzem reine Theorie: Nun konnte ein HZB-Team erstmals Proben aus blauem Phosphor an BESSY II untersuchen und über ihre elektronische Bandstruktur bestätigen, dass es sich dabei tatsächlich um diese exotische Phosphor-Modifikation handelt. Blauer Phosphor ist ein interessanter Kandidat für neue optoelektronische Bauelemente.

Das Element Phosphor tritt in vielerlei Gestalt auf und wechselt mit jeder neuen Modifikation auch den Katalog seiner Eigenschaften. Bisher bekannt waren...

Im Focus: Chemiker der Universitäten Rostock und Yale zeigen erstmals Dreierkette aus gleichgeladenen Ionen

Die Forschungskooperation zwischen der Universität Yale und der Universität Rostock hat neue wissenschaftliche Ergebnisse hervorgebracht. In der renommierten Zeitschrift „Angewandte Chemie“ berichten die Wissenschaftler über eine Dreierkette aus Ionen gleicher Ladung, die durch sogenannte Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden. Damit zeigen die Forscher zum ersten Mal eine Dreierkette aus gleichgeladenen Ionen, die sich im Grunde abstoßen.

Die erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen den Professoren Mark Johnson, einem weltbekannten Cluster-Forscher, und Ralf Ludwig aus der Physikalischen Chemie der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Rettungsdienst und Feuerwehr - Beschaffung von Rettungsdienstfahrzeugen, -Geräten und -Material

18.10.2018 | Veranstaltungen

11. Jenaer Lasertagung

16.10.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2018

16.10.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rettungsdienst und Feuerwehr - Beschaffung von Rettungsdienstfahrzeugen, -Geräten und -Material

18.10.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Datenspeicher der Zukunft: Extrem kleine magnetische Nanostrukturen mit Tarnkappen beobachtet

18.10.2018 | Physik Astronomie

Einblicke in das Tarnverhalten von Sepien

18.10.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics