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Maschinerie des Bioabbaus auf Xenobiotika abstimmen

Um gegen die Langlebigkeit einer prominenten Gruppe organischer Schadstoffen vorzugehen, entschied sich eine EU-finanzierte Initiative dafür, die für ihren Abbau verantwortlichen Enzyme zu modifizieren. Die Forscher ermittelten potenzielle Mechanismen, die für die Weiterentwicklung dieser Enzyme zuständig sind und schlug Wege zu deren Anwendung zur Behandlung von kontaminiertem Boden oder Wasser vor.
Maschinerie des Bioabbaus auf Xenobiotika abstimmen
Mikroorganismen sind die Hauptakteure im biochemischen Zyklus vieler natürlicher und synthetischer Verbindungen. Der mit ihrer Aufschlüsselung verbundene Prozess ist als biologischer Abbau bekannt. Normalerweise werden die aufgeschlossenen Substanzen als Quelle an Energie, Kohlenstoff und Stickstoff oder weiterer Nährstoffe genutzt.

Der Biosphäre fremde Verbindungen, Xenobiotika, können jedoch dem biologischen Abbau bzw. einer Umwandlung widerstehen, sich in der Umwelt anreichern und sich als schädlich erweisen. Das EU-finanzierte PROACTIVE-Projekt ("Programmed acceleration of evolution of the biodegradative gene inventory") verfolgte den Vorschlag, der Langlebigkeit von Xenobiotika durch die Ausnutzung der natürlichen Mechanismus der Erzeugung von Vielfalt und Selektion zu begegnen. Ziel war die beschleunigte Weiterentwicklung der biodegradativen Wirkprinzipien für diese Verbindungen.

In einem ersten Schritt führten die Wissenschaftler eine Bioinformatikanalyse durch, um auf phylogenetische Weise am biologischen Abbau beteiligte Enzymfamilien zu identifizieren und zu rekonstruieren. Insbesondere interessierten sie sich für aromatische Oxygenasen, die zum biologischen Abbau aromatischer Xenobiotika eingesetzt werden könnten. Diese prognostizierten Sequenzen repäsentierten erstmalig die Anwendung einer ererbten Rekonstruktion auf biodegradierende Enzyme und wurden anschließend durch Mutagenese in verschiedenen Abbauwege (Abbauvorgänge von Toluol, 2,4-Dichlorphenoxyacetat, 2,4-Dinitrotoluol) einbezogen.

Im Laufe des Projekts wurde offensichtlich, dass eine Feinabstimmung der Stoffwechselwege erforderlich ist, um oxidativen Stress zu vermeiden. Die Wissenschaftler legten den Schwerpunkt auf die Weiterentwicklung der in den 2,4-Dinitrotoluol-Abbauvorgang verwickelten DNT-Gene und deckten einen Zusammenhang zwischen der endogenen Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und DNA-Reparaturmechanismen auf. Das ließ vermuten, dass die Weiterentwicklung des biologischen Abbaus xenobiotischer Verbindungen durch den mutagenen Stress aufgrund der fehlerhaften Funktion bereits existierender Enzyme auf suboptimalen Substraten hervorgerufen worden sein könnte.

Insgesamt zeichnen die PROACTIVE-Resultate ein Bild der Weiterentwicklung fremdstoffabbauender Mikroorganismen und der katabolen Wirkprinzipien für aromatische Xenobiotika. Diese Informationen könnte bei der evolutionären technischen Weiterentwicklung angewandt werden, um den biologischen Abbau von Xenobiotikaverbindungen in den Griff zu bekommen.

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