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Forscher entschlüsseln wichtigen Stoffwechselweg

Ein Team um den Mikrobiologen Dr. David Schleheck hat in Zusammenarbeit mit Chemikern der Universität Konstanz einen Abbauweg für den schwefelhaltigen Zucker Sulfo-Glukose im Darmbakterium Escherichia coli (E.coli) entdeckt. Da der Zucker in allen photosynthetisch aktiven Organismen vorkommt, hat die Entdeckung große Bedeutung für den globalen Schwefelkreislauf.

Der Zucker Sulfo-Glukose kommt in allen Pflanzen vor und ist strukturell ähnlich aufgebaut wie der wesentlich bekanntere Zucker Glukose, allerdings verfügt er über eine zusätzliche Schwefelgruppe. Die Sulfo-Glukose befindet sich innerhalb der Pflanzenzelle in den Chloroplasten, genauer gesagt in den Lipiden der Thylakoidmembran. Entdeckt wurde Sulfo-Glukose bereits 1959 und es konnte bereits damals gezeigt werden, dass einige Bakterien Sulfo-Glukose als Nährstoffquelle nutzen und damit auch wieder abbauen können. Es blieb jedoch unbekannt, wie der daran beteiligte biochemische Stoffwechselweg funktioniert.

Zehn Gene für die Sulfo-Glykolyse

Die Forschergruppe aus Konstanz (von links nach rechts): Dieter Spiteller, Michael Weiss, Ann-Katrin Felux, Alasdair Cook, Thomas Huhn, Karin Denger und David Schleheck. Auf dem Bild fehlen die Tübinger Kollegen Alexander Schneider und Christoph Mayer. © Inka Reiter

Dem Forscherteam um Dr. Schleheck aus der Arbeitsgruppe Mikrobielle Ökologie der Universität Konstanz ist es nun gelungen, einen ersten Abbauweg für Sulfo-Glukose aufzuklären. Im Darmbakterium E. coli, dem am besten untersuchten bakteriellen Modellorganismus, identifizierten die Forscher die Sulfo-Glykolyse, die durch zehn Gene kodiert wird, deren Funktion bisher völlig unbekannt war. “Mit unserer Forschung konnten wir so eine weitere Wissenslücke in diesem Modellorganismus schließen“, erläutert Dr. Schleheck. „Besonders interessant für uns ist, dass bei der Sulfo-Glykolyse nicht dieselben Enzyme zum Einsatz kommen wie bei der bereits gut bekannten Glykolyse“, erklärt Dr. Schleheck. Der Abbauweg funktioniert aber trotzdem in direkter Analogie zur Glykolyse, indem Sulfo-Glukose zuerst zu Sulfo-Fruktose und dann zu Sulfo-Fruktosephosphat umgewandelt wird (siehe Abbildung). Sulfo-Fruktosephosphat wird dann gespalten, wobei die eine Hälfte des Moleküls von E. coli zur Energiegewinnung verwendet werden kann (DHAP), die andere Schwefel-enthaltende Hälfte (DHPS) aber nicht. Dieses schwefelhaltige Zwischenprodukt wird deshalb von E. coli wieder ausgeschieden, wobei die Freisetzung des gebundenen Schwefels dann durch andere Bakterien erfolgt, die sich auf den Abbau dieses Zwischenprodukts spezialisiert haben (in der Abbildung nicht dargestellt). „Das bedeutet, der vollständige Abbau von Sulfo-Glukose und das Recycling des Schwefels in Form von anorganischem Sulfat erfolgt eigentlich durch die Zusammenarbeit einer Bakterien-Gemeinschaft“, so Schleheck. Es gibt vermutlich noch weitere Abbauwege für Sulfo-Glukose, die es in zukünftigen Studien zu analysieren gilt. „Bereits mit der Sulfo-Glykolyse konnten wir vier neue Enzyme und drei neue Metabolite entdecken“, freut sich Dr. Schleheck.

Kooperationen zur Erforschung

Ein wichtiger Aspekt des Projekts war die enge Zusammenarbeit zwischen Biologen und Chemikern in Konstanz. Die Biologin Karin Denger und die Doktoranden Michael Weiss und Ann-Katrin Felux aus der Arbeitsgruppe von Dr. Schleheck leisteten zusammen mit Prof. Alasdair Cook die eigentliche mikrobiologische, biochemische, proteomische und molekulare Hauptarbeit. Da Sulfo-Glukose nicht kommerziell erhältlich ist, wurde dieser Zucker am benachbarten Fachbereich Chemie von Dr. Thomas Huhn synthetisiert. Der chemisch-analytische Nachweis der Zwischenprodukte des Abbauwegs erfolgte anhand moderner Massenspektroskopie durch Doktorand Alexander Schneider und Prof. Dr. Christoph Mayer, inzwischen an der Universität Tübingen, sowie durch Prof. Dr. Dieter Spiteller. „Das Gelingen des Projekts belegt somit auch den Erfolg des Forschungsverbundes zwischen Biologen und Chemikern, der innerhalb der Graduiertenschule Chemische Biologie an der Universität Konstanz besteht und im Zuge der Exzellenzinitiative ins Leben gerufen wurde“, so Schleheck.

Sulfo-Glukose wird von Escherichia coli aufgenommen und analog zur normalen Glykolyse gespalten, wobei nur die nicht-schwefelhaltige Hälfte (DHAP) zur Energiegewinnung und für das Zellwachstum verwendet werden kann. Das schwefelhaltige Spaltprodukt (DHPS) kann von E. coli nicht verwertet werden und wird deshalb ausgeschieden. DHPS wird dann aber durch andere Bakterien (nicht dargestellt) und über einen bereits bekannten Stoffwechselweg vollständig abgebaut. © David Schleheck

Die Bedeutung des Zuckers für Mensch und Umwelt

Die neuen Erkenntnisse haben auch Bedeutung für die Humanbiologie, da E.coli im Darm von Menschen vorkommt. Bei der Verwertung pflanzlicher Nahrung stellt Sulfo-Glukose für E. coli eine bisher nicht beachtete Nährstoffquelle dar. Darüber hinaus findet man den Abbauweg auch in anderen Enterobakterien, beispielsweise in den Krankheitserregern Salmonellen und Klebsiellen. Weitere Organismen, in denen ein Abbau von Sulfo-Glukose stattfindet, sind beispielsweise Algen, die Sulfo-Glukose als interne Schwefelquelle nutzen können, wenn sie unter Schwefelmangel leiden. Bisher gibt es aber noch keinen Hinweis darauf, dass Sulfo-Glukose von Tieren oder vom Menschen direkt metabolisiert werden kann, sondern nur indirekt durch Darmbakterien wie E. coli. „Dennoch gibt es interessanterweise eine Studie einer anderen Arbeitsgruppe, deren Ergebnisse andeuten, dass Sulfo-Glukose indirekt einen positiven Einfluss auf den Zuckerstoffwechsel des Menschen nehmen könnte, ganz besonders dann, wenn der Mensch sich vegetarisch ernährt“, so Dr. Schleheck.

Die jährliche Sulfo-Glukose-Produktion in der Natur wird auf zehn Milliarden Tonnen pro Jahr geschätzt, womit der bakterielle Abbau einen wichtigen Bestandteil der Stoffkreisläufe in Ökosystemen darstellt, besonders im globalen Schwefelkreislauf. Durch die Kenntnisse über den Abbau der Sulfo-Glukose und die beteiligten Enzyme und Gene können nun auch die entsprechenden Stoffwechselprozesse in Pflanzen und Algen besser aufgeklärt werden. „Ein gutes Verständnis des Schwefel-Recyclings in Pflanzen und des vollständigen Abbaus der Sulfo-Glukose durch Bodenbakterien ist von großer Wichtigkeit, da Pflanzen auf europäischen Böden wieder zunehmend unter Schwefelmangel leiden aufgrund der glücklicherweise erfolgreichen Eindämmung des Schwefel-sauren Regens“, schließt Dr. Schleheck.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Escherichia coli (Abk.: E. coli) ist ein Colibakterium, das im menschlichen Darm vorkommt. Varianten dieses Colibakteriums (E. coli K12), denen bestimmte, für das Überleben in freier Wildbahn notwendige Eigenschaften des Wildtypbakteriums fehlen, werden in der Gentechnik häufig als so genannter Empfängerorganismus für die Klonierung von rekombinanten DNA-Stücken eingesetzt.
  • 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.
  • Lipide sind Fette und fettähnliche Substanzen.
  • Lytisch zu sein ist die Eigenschaft eines Bakteriophagen, seine Wirtszelle bei der Infektion zu zerstören.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Der Metabolismus oder auch Stoffwechsel umfasst Aufnahme, Transport, biochemische Umwandlung und Ausscheidung von Stoffen in einem Organismus. Diese Vorgänge dienen sowohl dem Aufbau der Körpersubstanz als auch der Energiegewinnung. Die beiden gegensätzlichen Vorgänge des Metabolismus werden Anabolismus (aufbauende Vorgänge) und Katabolismus (abbauende Vorgänge) genannt. Viele Enzyme können sowohl katabol als auch anabol wirken, jedoch arbeiten solche Enzyme innerhalb eines biochemischen Weges in der Zelle (z.B. Glykolyse und Gluconeogenese) nicht in beiden Richtungen zugleich.
  • Die Massenspektrometrie ist ein Verfahren zur Messung des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses eines Teilchens. Bei biologischen Fragestellungen werden meist Proteine massenspektrometisch untersucht.
  • Unter Photosynthese wird die Erzeugung hochmolekularer energiereicher Verbindungen (Glukose) aus einfachen Molekülen (Kohlendioxid, Wasser) verstanden, wobei beträchtliche Mengen Sauerstoff entstehen. Chlorophyllhaltige Organismen (höhere Pflanzen, Algen, phototrophe Bakterien) nutzen dafür die Sonnenlichtenergie.
  • Als Ökosystem wird das Zusammenleben zwischen den Lebewesen in ihrer Umwelt bezeichnet.
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