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Auf der Spur besonderer Antibiotika-Synthesewege

Kirromycin, ein Antibiotikum aus Bodenbakterien, offenbart ungewöhnliche Biosyntheseschritte, die auch für die Biotechnologie interessant sind. Dr. Ewa Maria Musiol konnte erstmals Licht in die spannenden Vorgänge am Kirromycin-Synthasekomplex bringen und hat sie genauestens charakterisiert. Für diese Arbeiten wurde sie von der DECHEMA ausgezeichnet.

Dr. Ewa Musiol freut sich über die Auszeichnung der DECHEMA, mit der die Gesellschaft ihre Kirromycin-Arbeiten würdigt. © privat

Die Suche nach neuen Antibiotika ist in Zeiten zunehmender Resistenzen gegen die bewährten Penicilline & Co. äußerst dringend und wird auch vom BMBF vorangetrieben. Im Rahmen des BMBF-geförderten Verbundprojekts GenBioCom, das Prof. Dr. Wolfgang Wohlleben am Interfakultären Institut für Mikrobiologie und Infektionsmedizin (IMIT) der Universität Tübingen koordiniert, wird gezielt nach neuen Wirkstoffen und eben auch nach neuen Antibiotika gesucht. Rund 1,2 Millionen Euro Forschungsgelder gingen im Rahmen von GenBioCom nach Tübingen. Dr. Tilmann Weber leitet hier am IMIT ein Teilprojekt, bei dem gezielt Naturstoffe aus Bodenbakterien untersucht werden. Das Polyketid-Antibiotikum Kirromycin aus Streptomyces collinus ist dabei ein alter Bekannter, wie Weber erklärt: „Das Antibiotikum wurde vor rund 40 Jahren hier in Tübingen entdeckt, von der Arbeitsgruppe um Professor Zähner, der die Antibiotika-Forschung hier aufgebaut hat.“ Es brauchte allerdings das heutige Rüstzeug an molekularbiologischen und bioinformatorischen Verfahren, um die Biosynthese des Antibiotikums aufzuklären.

Hier kommt Dr. Ewa Maria Musiol ins Spiel, die 30-jährige Biologin arbeitet als Postdoc in Webers Gruppe. Mit der Forschung zur Kirromycin-Biosynthese folgt sie genau ihrem eigenen Leitbild: „Anwendungs- und nutzenorientierte Wissenschaft war schon immer ein sehr wichtiger Aspekt für mich. Zwar arbeiten wir sehr grundlagenorientiert an Antibiotika, wollen damit aber die Basis für die Entwicklung neuer, geeigneter Wirkstoffe liefern.“ Der von ihr aufgeklärte Biosyntheseschritt könnte für die Medizin und die biotechnologische Produktion von Antibiotika weitreichende Bedeutung haben. Möglicherweise sind die sehr speziellen biochemischen Reaktionen ganz gezielt zur Steuerung von Spezifität und Toxizität von Antibiotika einsetzbar und können auch auf andere Polyketid-Synthesen übertragen werden.

Ein Biosyntheseschritt mit vielfältigem Potenzial

Das Bodenbakterium Streptomyces collinum - hier ein Laborausstrich - produziert das Polyketid-Antibiotikum Kirromycin. © Tilmann Weber, IMIT, Universität Tübingen

Die Biosynthese von Polyketiden findet in der Zelle an einem riesigen multifunktionalen Enzymkomplex statt, der nach und nach die einzelnen Bausteine des Antibiotikums zusammenfügt. „Das funktioniert ähnlich wie bei einer industriellen Fertigungsstraße, etwa in der Automobilbranche“, erklärt Weber. Bereits vor einigen Jahren war das Gencluster charakterisiert worden, das die an der Kirromycin-Synthese beteiligten Enzyme kodiert. Seitdem ist bekannt, dass nicht alle Enzyme direkt zum Komplex gehören. Es gibt zwei „Extra“-Gene, die externe Acyltransferasen (AT) kodieren, trans-ATs genannt. Das allein ist noch nicht so außergewöhnlich, wie Musiol erklärt. Das Besondere steckt im Detail: „Bekannt war, das trans-ATs ausschließlich Malonyl-CoA als Baustein verwenden und diese Vorstufe dem Enzymkomplex für die Polyketid-Biosynthese bereitstellen. In Kirromycin gibt es jedoch eine Verzweigung, die eindeutig nicht aus dem Baustein Malonyl-CoA stammen kann. Diese habe ich näher untersucht.“

Musiol fand heraus, dass das Lehrbuchwissen zur Polyketidsynthese erweitert werden muss. Die von ihr charakterisierte trans-Acyltransferase KirCII verwendet den seltenen Baustein Ethylmalonyl-CoA. Daher rührt die ungewöhnliche Verzweigung. Die spezifische Acyltransferase KirCII ist somit ein potenzielles Werkzeug, um durch das Einfügen solcher Verzweigungen die Spezifität und Toxizität von Polyketid-Antibiotika zu verändern. „Interessant ist das auch unter dem Aspekt, dass die nachfolgenden Synthesemodule in der Lage sein müssen, mit der ungewöhnlichen Verzweigung umzugehen. Dies ist hier offensichtlich der Fall, das heißt, biotechnologisch könnte man mit dieser Möglichkeit in Zukunft spielen“, so Musiol. „Eine derartige Verzweigung synthetisch herzustellen, wäre extrem aufwändig und deshalb keine Option für die Bioproduktion. Ganz anders sieht die Sache aus, wenn wir diesen Schritt mit unseren Ergebnissen nun enzymatisch anbieten können“, ergänzt Weber den potenziellen Nutzen für die Biotechnologie.

Der lange Weg der Biosynthese von Kirromycin. Über die trans-Acyltransferase KirCII, die den seltenen Baustein Ethylmalonyl-CoA verwendet, wird eine ungewöhnliche Verzweigung in das Molekül eingebaut (siehe blaue Markierung). © Ewa Musiol, IMIT, Universität Tübingen

Die Relevanz dieser Entdeckung hat auch die DECHEMA erkannt. Die Fachgesellschaft hat Musiol bei den 24. Irseer Naturstofftagen im März 2012 dafür mit dem Promotionspreis ausgezeichnet. Das spornt die Forscherin nun umso mehr an, die Chancen ihrer Entdeckung weiter auszuloten. Außerdem will sie sich in Zukunft verstärkt der zweiten trans-AT widmen. „Erste Daten lassen vermuten, dass sie Malonyl-CoA als Baustein verwendet, der eindeutige Beweis dazu steht jedoch noch aus“, so die Biologin. Im Rahmen des Verbundprojektes hat sie noch bis Ende des Jahres Zeit, daran weiterzuarbeiten. Auf dem Programm stehen In-vitro-Untersuchungen in Form biochemischer Analysen mit aufgereinigten Proteinen.

Industrie schaut gespannt auf die weiteren Ergebnisse

Unterstützung bekommt das Team auch aus der Industrie: An dem BMBF-Projekt ist mit der Insilico Biotechnology AG ein Modellierungsspezialist aus der Region beteiligt. „Insilico unterstützt uns mit seinen Simulierungen des bakteriellen Stoffwechsels. Das Ziel ist es, geeignete Bedingungen zu finden, um die Produktionsrate von Kirromycin zu erhöhen“, so Weber. Die Göttinger BioViotica Naturstoff GmbH als zweiter Industriepartner produziert biologisch aktive Naturstoffe und arbeitet an Verwertungsstrategien, unter anderem eben auch für Kirromycin. Das Antibiotikum hat ein relativ enges Wirkspektrum, es hemmt zum Beispiel die Proteinbiosynthese in Gonorrhoe-Erregern. Andererseits zeigt es zumindest in Zellkultur kaum toxische Wirkung, was es für die Medizin sehr interessant macht. Falls der neu beschriebene Biosyntheseschritt zu interessanten Modifizierungen in anderen Stämmen und zu kommerziell interessanten Produkten führt, dürfte sich das Interesse der Industrie an den Tübinger Ergebnissen noch deutlich verstärken.

Ob Musiol das dann aus Tübinger Perspektive miterlebt, ist ungewiss. Zurzeit spielt sie mit dem Gedanken, eine Zeit lang im Ausland zu arbeiten. In Tübingen hat sie auch Aufgaben in der Lehre übernommen. Musiol hält eine Vorlesung über Protein-Expression und betreut Master-Studierende. Besondere Freude macht ihr die Organisation und Durchführung von Schülerpraktika. Die Teilnehmer bekommen praktische Aspekte der Mikrobiologie und speziell der Antibiotika in Form eines halbtägigen Experimentiertags vermittelt.

Glossar

  • Ein Antibiotikum ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), das in geringen Konzentrationen andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum hemmt.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • 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.
  • Penicillin ist ein Stoffwechselprodukt des Pilzes Penicillium mit antibiotischer Wirkung (Antibiotikum). Es stört die Zellwandbildung bei Bakterien und verhindert dadurch deren Vermehrung, ohne sie abzutöten (d. h. es wirkt bakteriostatisch).
  • Die Proteinbiosynthese ist die zelluläre Synthese von Proteinen. Sie besteht aus zwei Schritten: Die Transkription, d.h. das Anfertigen einer mRNA-Kopie des jeweiligen DNA-Abschnitts und der Translation, d.h. das Übersetzen der Basenabfolge auf der RNA in Aminosäuresequenzen des Proteins.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Eine Zellkultur ist ein Pool von gleichartigen Zellen, die aus mehrzelligen Organismen isoliert wurden und in künstlichem Nährmedium für Forschungsexperimente im Labor (in vitro) gehalten werden.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • 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.
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung
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