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Bodenbakterien sollen neue Antibiotika produzieren

Immer mehr Genome von Bodenbakterien der Gattung Streptomyces sind komplett sequenziert. Per „Genome Mining“ werden jetzt an der Universität Tübingen Gencluster identifiziert, die in der industriellen Biotechnologie zur Produktion von neuen Antibiotika und anderen Wirkstoffen eingesetzt werden können. Dazu sollen die Biosynthese-Gencluster in spezielle Produktionsstämme integriert und optimiert werden.

Der Siegeszug der Antibiotika hat die gesamte Medizin verändert. Heute drohen die Waffen aus mikrobieller Produktion jedoch stumpf zu werden: Immer häufiger sind bakterielle Krankheitserreger resistent gegen eine Behandlung mit Antibiotika. „Wir haben aufgrund der Resistenzen einen dringenden Bedarf an neuen Antibiotika, dem aber seit Jahrzehnten eine viel zu kleine Zahl neuentdeckter Wirkstoffe gegenübersteht. Diese aufklaffende Schere ist eines der größten Probleme in der pharmazeutischen Forschung“, bestätigt Prof. Dr. Lutz Heide vom Pharmazeutischen Institut der Universität Tübingen. Auch er forscht intensiv nach neuen antibiotischen Substanzen, um die Versorgungslücke zu schließen.

Dabei kooperiert Heide bereits seit Jahren mit Prof. Dr. Wolfgang Wohlleben vom Interfakultären Institut für Mikrobiologie und Infektionsmedizin der Tübinger Universität. Beide Wissenschaftler teilen ein Interesse an Bodenbakterien, speziell Streptomyces-Arten, als Wirkstoffquelle. Außerdem arbeiten sie mit vereinten Kräften daran mit, die Forschung zu Antiinfektiva in Tübingen zu stärken. So sind Heide und Wohlleben auch am Aufbau des Tübinger Standortes des Deutschen Zentrums für Infektionsforschung beteiligt.

Prof. Dr. Lutz Heide vom Pharmazeutischen Institut der Universität Tübingen kooperiert zur Wirkstoffentwicklung intensiv mit europäischen Kollegen. © privat
Prof. Dr. Wohlleben ist Sprecher des DFG-Sonderforschungsbereiches "Die bakterielle Zellhülle: Struktur, Funktion und Schnittstelle bei der Infektion", an dem auch Prof. Dr. Lutz Heide beteiligt ist. © privat

Streptomyceten als Antibiotika-Produzenten: Klassiker mit Potenzial

Bodenbakterien – eine vielversprechende Quelle für die Arzneistoffentwicklung der Zukunft. © Paas, Tübingen

Bodenbakterien sind seit Langem potente Lieferanten von Antibiotika, was angesichts ihres heterogenen Lebensraums nicht weiter erstaunt: Im Boden müssen Bakterien nicht nur wechselnden, teils extremen Umweltbedingungen trotzen, sondern sich auch gegenüber vielfältigen Feinden und Konkurrenten durchsetzen. Deshalb entwickelten sie im Verlauf der Evolution ein umfangreiches Arsenal an Biosynthese-Wegen für antibiotisch wirksame Substanzen. Für deren bedarfsgerechte Produktion haben die Bakterien ein ausgeklügeltes Regulationssystem mit genetischen und epigenetischen Komponenten entwickelt.

Bei der Erforschung der Biosynthese-Gene und ihrer komplexen Regulation in Streptomyceten profitieren die Tübinger Forscher von der enorm gestiegenen Leistungsfähigkeit bei DNA-Sequenzierungen. „Streptomyceten sind die erfolgreichsten Antibiotika-Produzenten und als solche bereits gut untersucht. Die bereits sequenzierten Genome zeigen, dass sie je nach Art zwischen 15 und 35 Antibiotika synthetisieren können. Darunter sind Substanzen, die wir nie zuvor gesehen haben“, sagt Heide. Auf die Gesamtheit der Bodenbakterien bezogen ist das Potenzial gewaltig, denn laut Heide sind erst geschätzte 0,3 Prozent aller Bodenbakterien überhaupt ins Labor geholt worden.

Im EU-Programm ERA-IB wird internationale Expertise gebündelt

Die Europäische Union unterstützt ihn und Wohlleben in den kommenden drei Jahren dabei, den gewaltigen Schatz an Antibiotika und möglicherweise noch anderen Wirkstoffen zu heben und im Rahmen der industriellen Biotechnologie für die Medizin nutzbar zu machen. Im EU-Forschungsprogramm ERA-IB sind die Tübinger Forscher gemeinsam an zwei umfangreichen Verbundprojekten beteiligt, die sich mit Wirkstoffen aus Streptomyceten befassen. „Die Projekte greifen in verschiedenen Stufen der Verwertungsskala und ergänzen sich deshalb hervorragend“, so Heide.

Prof. Heide fungiert beim Projekt „GenoDrug“ als Koordinator. Wie bei EU-Projekten üblich und gefordert, sind Partner aus mehren EU-Ländern beteiligt. Darunter sind Experten für Genregulation aus Polen und den Niederlanden, spanische Spezialisten für Wirksamkeitstests neuer Substanzen und für die Entwicklung molekulargenetischer Strategien zur Optimierung der Bioproduktion. Verfahrens-Know-how steuert ein Team aus Finnland bei, das auch über eine Vielzahl mittelgroßer Fermenter verfügt, in denen optimierte Streptomyces-Stämme kultiviert werden sollen.

Zentrales Anliegen der GenoDrug-Teams ist es, eine Methode zu entwickeln, um stillgelegte Gencluster zu aktivieren, die den Bauplan für interessante Antibiotika und gegebenenfalls auch andere Wirkstoffe, etwa gegen Krebs, enthalten. Diese Gencluster sollen in optimierter Form in Produktionsstämme integriert werden. Im Grunde geht es dabei um nichts weniger als eine neue Technologie zur Wirkstoffentwicklung. „Wir wollen die Substanzen, die wir mithilfe des Genome Mining identifizieren, hinsichtlich Bioaktivität und Toxizität analysieren und im Milligramm-Maßstab produzieren können“, formuliert Heide das ehrgeizige Projektziel.

Bioproduktion von Antiinfektiva und Antitumor-Wirkstoffen soll optimiert werden

Das zweite Verbundprojekt namens IMMUNOTEC wird von Prof. Dr. Juan-Francisco Martin von INBIOTEC, einem biotechnologischen Institut im spanischen Leon koordiniert. Neben den Tübinger Teams um Heide und Wohlleben ist auch ein mittelständisches spanisches Unternehmen beteiligt, das Antibiotika produziert. Forschungsobjekt sind bereits bekannte Wirkstoffe, die aus Streptomyces-Arten gewonnen werden können: Tacrolimus und Ascomycin. Beide Substanzen sind effektive Immunsupressoren und werden unter anderem zur Vermeidung von Abstoßungsreaktionen nach Organtransplantationen eingesetzt. Weiterentwicklungen dieser Substanzen haben auch das Potenzial zur Tumorbekämpfung. „Das Patent zur Herstellung von Tacrolimus ist kürzlich abgelaufen, was mit ein Grund dafür ist, dass wir es in unser Forschungsprogramm aufgenommen haben“, sagt Heide. Die Verbundpartner wollen Streptomyces-Produktionsstämme entwickeln, die es erlauben, die jeweilige Substanz in größerer Menge als bisher und besonders preiswert zu produzieren.

„Um solche Ziele zu erreichen, wurde bisher meist mit ‚random mutagenesis’, also der Erzeugung zufälliger Mutationen gearbeitet. Mit unseren Methoden hoffen wir, schneller zum Ziel zu kommen, indem wir bei der Regulation der Genexpression angreifen und diese für unsere Zwecke optimieren. Dazu integrieren wir die entsprechenden Gencluster in andere Bakterien. Wir bleiben zwar bei der gleichen Gattung, wählen jedoch eine andere Art, zum Beispiel Streptomyces griseus, als bewährten Produktionsstamm“, so Heide.

Molekularbiologie und Gentechnik mit Raffinement sind gefragt

Die DNA in Streptomyces-Bakterien wird rekombiniert, um biotechnologisch neue Antibiotika herstellen zu können. © Paas, Tübingen

Was sich angesichts innovativer gentechnischer Verfahren zunächst relativ einfach anhört, steckt im Detail voller Tücken, wie Heide erklärt: „Wir haben es hier mit Genclustern in einer Größenordnung von 100 Kilobasenpaaren zu tun, die entsprechend schwierig zu klonieren sind. Wir müssen Inserts von mehreren Plasmiden zusammen klonieren, arbeiten mit künstlichen bakteriellen Chromosomen, die nicht einfach zu handhaben sind. Außerdem ist es eine Herausforderung, die großen Cluster im Produktionsstamm stabil zu erhalten. Deshalb wollen wir den Rest des Stoffwechsels in der richtigen Richtung optimieren, etwa in Bezug auf die stickstoff- und phosphatabhängigen Regulationswege.“
Derart anspruchsvolle und komplexe Zusammenhänge können nur mithilfe einer weit entwickelten Bioinformatik bewältigt werden. Das gilt für beide Projekte. Es sind immense Datenmengen zu verwalten und zu interpretieren, und mittelfristig sollen Stoffwechsel-Modelle und Simulationen dabei helfen, die Laborarbeit voran zu bringen.

Glossar

  • Ein Antibiotikum ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), das in geringen Konzentrationen andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum hemmt.
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Chromosomen sind die unter dem Mikroskop sichtbaren Träger der Erbanlagen. Die Anzahl der im Zellkern vorhandenen Chromosomen ist artspezifisch. Beim Menschen sind es zweimal 23. Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen liegen Chromosomen in Körperzellen sowie in befruchteten Eizellen paarweise als sog. homologe Chromosomen vor. In den Keimzellen ist nach Abschluss der Reifungsteilungen nur ein einfacher Chromosomensatz vorhanden.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Fermenter ist ein Gärtank, in dem Bakterien oder Zellkulturen vermehrt werden.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Genexpression ist der Begriff für die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Gentechnik ist ein Sammelbegriff für verschiedene molekularbiologische Techniken. Sie ermöglicht, DNA-Stücke unterschiedlicher Herkunft neu zu kombinieren, in geeigneten Wirtszellen zu vermehren und zu exprimieren.
  • Kilobase (Abkürzung: kb) ist die Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen. Sie entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Ein Plasmid ist ein extrachromosomales, ringförmiges DNA-Molekül, das bei Bakterien und Hefen vorkommt und sich unabhängig vom Hauptchromosom vermehren kann. Häufig tragen Plasmide Gene für Resistenzfaktoren (z. B. gegen Antibiotika), die den Trägern einen Selektionsvorteil vermitteln. Wenn die Gegenwart eines Plasmids für ein Bakterium keinen Überlebensvorteil bietet, dann verliert es dieses mit der Zeit. Plasmide mit Transfergenen können von einem Bakterium auf ein anderes übertragen werden.
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • In einem Cluster arbeiten Unternehmen – die auch miteinander in Wettbewerb stehen können – mit weiteren Partnern aus Forschung, Wissenschaft und Verbänden in einem Wirtschaftsraum zielbezogen zusammen, um gemeinsam einen höheren Gesamtnutzen zu erzielen. Die Kombination von inhaltlicher und räumlicher Nähe der verschiedenen Akteure entlang der Wertschöpfungskette eröffnet die Möglichkeit, Innovationsprozesse zu implementieren.
  • Medikemante, die zur Behandlung von Infektionskrankheiten eingesetzt werden.

Glossar

  • Ein Antibiotikum ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), das in geringen Konzentrationen andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum hemmt.
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Chromosomen sind die unter dem Mikroskop sichtbaren Träger der Erbanlagen. Die Anzahl der im Zellkern vorhandenen Chromosomen ist artspezifisch. Beim Menschen sind es zweimal 23. Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen liegen Chromosomen in Körperzellen sowie in befruchteten Eizellen paarweise als sog. homologe Chromosomen vor. In den Keimzellen ist nach Abschluss der Reifungsteilungen nur ein einfacher Chromosomensatz vorhanden.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Fermenter ist ein Gärtank, in dem Bakterien oder Zellkulturen vermehrt werden.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Genexpression ist der Begriff für die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Gentechnik ist ein Sammelbegriff für verschiedene molekularbiologische Techniken. Sie ermöglicht, DNA-Stücke unterschiedlicher Herkunft neu zu kombinieren, in geeigneten Wirtszellen zu vermehren und zu exprimieren.
  • Kilobase (Abkürzung: kb) ist die Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen. Sie entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • Ein Klon ist eine genetisch identische Kopie eines Lebewesens, die auf natürlichem Weg durch Teilung aus einer einzigen Zelle entsteht. Beispiele für natürliche Klone sind Bakterienkolonien auf der Ebene der Einzeller und Zwillinge auf der Ebene der mehrzelligen Organismen. Bei der gentechnischen Variante der Klonerzeugung, der sogenannten Klonierung, wird entweder DNA in vitro neu kombiniert und anschließend in Zellkulturen vermehrt oder es werden genetisch identische Zellen oder auch Lebewesen durch Transplatation eines Zellkerns einer Körperzelle in eine undifferenzierte Zelle (Eizelle, Stammzelle) erzeugt.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Mit Mutagenese ist die Erzeugung von Mutationen gemeint, die u. a. durch UV-Licht oder andere Strahlung sowie zahlreiche Chemikalien ausgelöst werden.
  • Ein Plasmid ist ein extrachromosomales, ringförmiges DNA-Molekül, das bei Bakterien und Hefen vorkommt und sich unabhängig vom Hauptchromosom vermehren kann. Häufig tragen Plasmide Gene für Resistenzfaktoren (z. B. gegen Antibiotika), die den Trägern einen Selektionsvorteil vermitteln. Wenn die Gegenwart eines Plasmids für ein Bakterium keinen Überlebensvorteil bietet, dann verliert es dieses mit der Zeit. Plasmide mit Transfergenen können von einem Bakterium auf ein anderes übertragen werden.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)
  • Fermentiation ist die Bezeichnung für die Umsetzung von biologischen Materialien mit Hilfe von Mikroorganismen oder durch Zusatz von Enzymen (Fermenten). Im eigentlichen Sinn handelt es bei der Fermentation um die anaerobe Oxidation von Zuckern zum Zwecke der Energiegewinnung des metabolisierenden Organismus.
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Heterogenität bedeutet Ungleicheit bzw. Verschiedenheit in der Struktur.
  • Die Epigenetik beschäftigt sich mit den vererbbare Veränderungen in der Genexpression, die nicht auf Abweichungen in der Sequenz der DNA zurückzuführen sind.
  • Als Transplantation bezeichnet man die Verpflanzung eines Transplantates (Zellen, Gewebe Organe). Es gibt verschiedene Transplantationsarten, die sich nach Herkunft, Funktion und Ort einteilen lassen. So wird bei einer xenogenen Transplantation ein Organ einer anderen Art transplantiert, während dagegen bei einer allogenen der Spender von einer Art stammt. Daneben gibt es noch die autologe Transplantation, bei der Spender und Empfänger dasselbe Individuum sind. Ist der Spender der eineiige Zwilling so spricht man von einer syngenen Transplantation. Eine alloplastische Transplantation wird das Transplantieren von künstlichem Material genannt. Bei Transplantationen werden Immunsuppressiva verabreicht, um die natürliche Abwehrreaktion des Körpers gegenüber Fremdstoffen zu unterbinden und damit das Transplantat im Körper zu erhalten. Die Zulässigkeit der Organspenden wird durch das Transplantationsgesetz (TPG) seit 1997 in Deutschland geregelt. Tritt Hirntod ein, muss ein Familienangehöriger der Entnahme zustimmen oder ein entsprechender Organspendeausweis des Spenders vorliegen. Am Häufigsten werden heutzutage Niere, Augenhornhaut, Herz und Leber transplantiert.
  • In einem Cluster arbeiten Unternehmen – die auch miteinander in Wettbewerb stehen können – mit weiteren Partnern aus Forschung, Wissenschaft und Verbänden in einem Wirtschaftsraum zielbezogen zusammen, um gemeinsam einen höheren Gesamtnutzen zu erzielen. Die Kombination von inhaltlicher und räumlicher Nähe der verschiedenen Akteure entlang der Wertschöpfungskette eröffnet die Möglichkeit, Innovationsprozesse zu implementieren.
  • Medikemante, die zur Behandlung von Infektionskrankheiten eingesetzt werden.
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