Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Naturstoffe einfacher untersuchen: Bakterienforscher entwickeln verbesserte DNA-Technik

30.04.2012
Gezielter Griff nach dem gesuchten Gen

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. (DOI: 10.1038/nbt2183).

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 Kandidaten-Gen 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“, erläutert Francis Stewart.

Diese Methode ist im Prinzip nicht neu. Allerdings waren die bislang verwendeten Enzyme Redα und Redβ 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 Redα und Redβ.

„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.

Publikation:
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

Pressekontakt
Birte Urban-Eicheler
Pressesprecherin Biotechnologisches Zentrum der TU Dresden
Tel.: 0351/ 463-40347
E-Mail: birte.urban-eicheler@crt-dresden.de

Prof. Dr. rer. nat. A. Francis Stewart
Professor für Genomik am Biotechnologischen Zentrum der TU Dresden
Tel.: 0351/ 463-40129
E-Mail: francis.stewart@biotec.tu-dresden.de

Das BIOTEChnologische Zentrum (BIOTEC) wurde 2000 als zentrale wissenschaftliche Einrichtung der Technischen Universität Dresden mit dem Ziel gegründet, modernste Forschungsansätze in der Molekular- und Zellbiologie mit den in Dresden traditionell starken Ingenieurswissenschaften zu verbinden. Innerhalb der TU Dresden nimmt das BIOTEC eine zentrale Position in Forschung und Lehre mit dem Schwerpunkt „Molecular Bioengineering und Regenerative Medizin“ ein. Es trägt damit entscheidend zur Profilierung der TU Dresden im Bereich moderner Biotechnologie und Biomedizin bei. Die Forschungsschwerpunkte der internationalen Arbeitsgruppen bilden die Genomik, die Proteomik, die Biophysik, zelluläre Maschinen, die Molekulargenetik, die Gewebezüchtung und die Bioinformatik.

Das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung:
Am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) untersuchen Wissenschaftler die Mecha-nismen 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

Birte Urban-Eicheler | Technische Universität Dresden
Weitere Informationen:
http://www.helmholtz-hzi.de/HIPS
http://www.tu-dresden.de

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

Nanodiamanten als Photokatalysatoren

18.10.2018 | Materialwissenschaften

Schichten aus Braunschweig auf dem Weg zum Merkur

18.10.2018 | Physik Astronomie

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

18.10.2018 | Veranstaltungsnachrichten

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