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Dieter Spiteller nimmt die Chemie mikrobieller Symbionten unter die Lupe

Am neuen Lehrstuhl für Chemische Ökologie an der Universität Konstanz untersucht Prof. Dr. Dieter Spiteller wie Organismen durch chemische Signale bzw. Antibiotika oder Toxine miteinander interagieren. Eines der Untersuchungsobjekte seiner Arbeitsgruppe sind die in Süd- und Mittelamerika beheimateten Blattschneiderameisen.

Blattschneiderameisen sind bekannt dafür, dass sie den Pilz Leucoagaricus gongylophorus in Kammern in ihrem Nest kultivieren, indem sie den Pilz mit Blattmaterial versorgen, das sie von Pflanzen schneiden und ins Nest tragen. L. gongylophorus dient im Gegenzug den Ameisen als Hauptnahrungsquelle. Diese Symbiose von Futterpilz und Ameisen bedeutet aber auch, dass beide Partner nicht ohne den jeweils anderen existieren können. Deshalb pflegen die Blattschneiderameisen ihren Pilzgarten intensiv und entfernen jeglichen Abfall in Müllkammern. Der Futterpilz und damit die Ameisenkolonie werden nämlich durch pathogene Pilze wie den Spezialisten Escovopsis bedroht.

Mikroorganismen vs. Schädling Escovopsis

Prof. Dieter Spiteller, Inhaber des Lehrstuhls für Chemische Ökologie an der Universität Konstanz. © Jespah Holthof

Um solche Pilzpathogene zu bekämpfen, sind die Ameisen neben eigenen Verteidigungsstrategien eine weitere Symbiose mit Antibiotika-produzierenden Actinomyceten eingegangen, die auf dem Panzer der Blattschneiderameisen wachsen. In Zusammenarbeit mit Kollegen aus Kaiserslautern und Panama untersucht die Arbeitsgruppe von Dieter Spiteller, mit welchen Antibiotika die mikrobiellen Symbionten der Blattschneiderameisen sich gegen Infektionen verteidigen.

Zirka zehn Jahre nach der Entdeckung der mikrobiellen Symbionten auf Blattschneiderameisen durch Currie und Kollegen ist es der Arbeitsgruppe von Dieter Spiteller gelungen, von symbiotischen Streptomyceten der Blattschneiderameisen erste Antibiotika, die den pathogenen Pilz Escovopsis weberi stark hemmen, zu isolieren und mit Hilfe von analytischen Methoden, insbesondere hochauflösender Massenspektrometrie, als Candicidinmakrolide zu identifizieren. Diese Verbindungen gehören zur Klasse der Polyenmakrolid-Antibiotika, zu denen auch Nystatin gehört, ein wichtiger Wirkstoff gegen Pilzkrankheiten des Menschen. Candicidinmakrolide wurden wegen ihrer hervorragenden Wirkung gegen das Humanpathogen Candida albicans bereits 1953 vom Bodenbakterium Streptomyces griseus isoliert. Die Blattschneiderameisen machen sich demnach ähnlich wie wir Menschen bakterielle Wirkstoffe zur Bekämpfung von Infektionskrankheiten zu Nutze.

Eine Acromyrmex octospinosus Blattschneiderameise bei der Pflege des Futterpilzes Leucoagaricus gongylophorus. Die Chemie der Symbiose von Blattschneiderameisen mit ihren mikrobiellen Symbionten ist ein Fokus der Forschung von Prof. Dieter Spiteller. © Christian Ziegler

Im Folgenden erarbeitete Ilka Schoenian von Dieter Spitellers Arbeitsgruppe eine neue Methode mit der sich schnell eine Vielzahl weiterer Antibiotika, – Antimycine, Valinomycine und Actinomycine –, von den Symbionten der Blattschneiderameisen nachweisen ließen. Mit Hilfe von sog. MALDI-Imaging (bildgebender Massenspektrometrie) war es dieses Jahr erstmals sogar möglich, auf dem Körper von Blattschneiderameisen die Verteilung eines Antibiotikums (Valinomycin) direkt zu beobachten, was ihre ökologische Relevanz belegt.

„Die Untersuchung mikrobieller Symbiosen mit höheren Organismen wie den Blattschneiderameisen könnte sich als vielversprechende Quelle für neue Wirkstoffe gegen Infektionskrankheiten erweisen, da sich z. B. Insekten geeignete mikrobielle Symbionten zugelegt haben, die potente Wirkstoffe, die auch für medizinische Anwendungen interessant sind, produzieren können“, so Dieter Spiteller. Hierfür will sich Professor Spiteller in Zukunft insbesondere auf wenig untersuchte Bakterienisolate von Symbiosen wie den Blattschneiderameisen konzentrieren. Manche Sekundärmetabolite werden nur unter bestimmten Bedingungen produziert, so dass es nicht immer sinnvoll ist, die interagierenden Partner voneinander getrennt zu betrachten.

Schützende Biokontrollfunktionen unter der Lupe

Auch zwischen Pflanzen und ihren assoziierten Mikroorganismen gibt es interessante Interaktionen. In Zusammenarbeit mit Beate Völksch von der Phytopathologie der Friedrich Schiller Universität in Jena untersuchte der Konstanzer Forscher, wie Epiphyten, Mikroorganismen, die auf Blattoberflächen wachsen, ihre Wirtspflanzen bei der Verteidigung gegen Befall durch Phytopathogene schützen können. So produziert beispielsweise das Bakterium Pseudomonas syringae pv. syringae 22d/93, ein Epiphyt der Sojabohne, die seltene Aminosäure 3-Methylarginin. „Diese Verbindung ist bereits in nanomolaren Konzentrationen wirksam gegen Pseudomonas syringae pv. glycinea, einem wichtigen Pathogen der Sojabohne.“, erklärt Prof. Spiteller. Neben der Identifikation von 3-Methylarginin konnte gezeigt werden, dass für die Biosynthese von 3-Methylarginin nur drei Gene benötigt werden. Der Epiphyt produziert sein Toxin 3-Methylarginin im Vergleich zum notwendigen Energieaufwand für die Synthese komplexer Antibiotika, für deren Produktion eine Vielzahl an Genen notwendig ist, höchst energieeffizient.

„Derivate von 3-Methylarginin sind auch wegen ihrer Hemmwirkung auf die Stickstoffmonoxid-Produktion von pharmakologischem Interesse“, erklärt Dieter Spiteller. Der Wirkmechanismus gegen Pseudomonas syringae pv. glycinea muss allerdings noch im Detail untersucht werden.

Mikrobielle Interaktionen im Bodensee

In Konstanz möchte Dieter Spiteller seine Forschungen zum Zusammenleben von Mikroorganismen mit anderen Organismen auf aquatische Organismen des Bodensees ausdehnen. Bisher sind solche Symbiosen kaum untersucht worden. Die Untersuchungen zur Chemischen Ökologie des Bodensees werden in enger Zusammenarbeit mit seinen Konstanzer Kollegen Prof. Bernhard Schink und Prof. Peter Kroth durchgeführt werden.

Durch die Forschungen der Arbeitsgruppe Spiteller soll die Chemie biologischer Systeme besser verstanden werden. Neben der Bioassay-geleiteten Identifikation von Sekundärmetaboliten untersucht die Arbeitsgruppe Spiteller hierfür die Biosynthese, die Regulation und die ökologische Funktion von Sekundärstoffproduktion von bakteriellen Organismen. „Neu identifizierte Naturstoffe bzw. deren Biosynthesegencluster liefern nicht nur ein tiefgreifenderes Verständnis der Chemie mikrobieller Interaktionen mit ihrer Umwelt, sondern können für medizinisch-pharmazeutische oder biotechnologische Anwendungen von Nutzen sein“, fasst Spiteller zusammen.

Zur Person:

Dieter Spiteller ist seit April 2011 Professor für Chemische Ökologie an der Universität Konstanz. Zuvor war er Leiter der Emmy Noether Nachwuchsforschungsgruppe Mikrobielle Chemische Ökologie am Max-Planck-Institut für Chemische Ökologie in Jena. Seine Dissertation verfasste er über die Charakterisierung von N-Acylglutaminkonjugaten von Lepidopterenlarven am Max-Planck-Institut für Chemische Ökologie bei Prof. Dr. Wilhelm Boland.

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