Erforschung von Schwämmen als Quelle antimikrobieller Bakterien
Antibiotikaresistenz und neue therapeutische Ansätze zur Behandlung von Krebstumoren sind zwei der größten Herausforderungen, die sich in zahlreichen unterschiedlichen wissenschaftlichen Disziplinen stellen. Die Erforschung von Molekülverbindungen in den Organismen um uns herum ist längst im Gange. Nun widmet sich die Wissenschaft auch den Lebensformen im Wasser. Das EU-Projekt BluePharmTrain hat sich vornehmlich auf marine Schwämme konzentriert, da diese unter den bislang erforschten Meeresorganismen die vielversprechendsten Verbindungen aufweisen. Es wurden zwar bereits zahlreiche interessante Moleküle entdeckt. Doch es existierte noch keine geeignete Möglichkeit, um signifikante Mengen davon zu erhalten. Dieses reizvolle Potenzial konnte bisher kaum erschlossen werden, da in der Regel nicht einmal ausreichend Material für klinische Studien zur Verfügung steht. Das Projekt verfolgte daher das Ziel, diesen Engpass zu beseitigen. Pharmakologischer Reichtum unter Wasser Marine Schwämme sind von extrem vielfältigen Mikrobenpopulationen besiedelt und produzieren mehr bioaktive Moleküle als jeder andere bisher bekannte Organismus auf der Welt. Diverse Studien haben sich bereits der Kultivierung von Schwämmen oder damit verbundenen Mikroben gewidmet, um bioaktive Wirkstoffe als biologisches Material für klinische Studien zu produzieren, blieben jedoch bislang zumeist ohne Erfolg. „Das Innovative an unserem Projekt war die Integration revolutionärer DNS-Sequenzierungsmethoden“, so Projektkoordinator Dr. Detmer Sipkema von der Universität Wageningen in den Niederlanden. Wie Dr. Sipkema erläutert, haben die jüngsten konzeptionellen und technologischen Entwicklungen in der Genomik, Transkriptomik und Proteomik („Omik-Wissenschaften“) unsere Sichtweise auf Gene, Arten und Gemeinschaften grundlegend verändert. Diese Innovationen wirken sich auch auf andere Disziplinen wie Ökologie und Biotechnologie aus. Sie zeigen „alte Probleme“ in einem neuen Licht und ermöglichen es der Forschung, bisherige Grenzen zu durchbrechen. BluePharmTrain hat sich diese innovativen Ansätze zunutze gemacht, um die physiologischen Reaktionen von Schwämmen in ihrer natürlichen Umgebung, so zum Beispiel auch ihre Reaktionen auf Belastungen wie Temperaturveränderungen, besser zu verstehen. Das Projekt war insbesondere bemüht, derzeit noch nicht kultivierbare bakterielle Symbionten zu erforschen, um für diese Bakterien hochspezifische Kultivierungsmethoden zu entwickeln. „Wir wollten frei lebende Bakterien mit Genclustern finden, die zu solchen, die in Schwämmen vorkommen, die größte Ähnlichkeit aufweisen“, so Dr. Sipkema. Diese Schwämme zu suchen und sie durch „Fixierung“ stabiler zu machen, war dabei der einfache Teil der Arbeit: Das Team sammelte die Schwämme und übergab sie Kollegen, die das nötige Fixativ bereithielten. Anschließend wurde DNS und RNS extrahiert. „Alles zusammen ergibt ein sehr gemischtes Bild voller Rätsel, fast so, als sei eine willkürliche Anzahl von Puzzleteilen zusammengeworfen worden.“ Doch dank hoch entwickelter Software konnten Dr. Sipkema und sein Team die meisten Daten auswerten. „Dadurch war es uns möglich, Erkenntnisse über die Genome der am häufigsten vorkommenden symbiotischen Bakterien zu gewinnen, die für die Produktion der meisten Moleküle verantwortlich sind, und den Wirt der Gencluster zu identifizieren, die die gewünschten Moleküle kodieren.“ Neue Perspektiven für pharmakologische Therapien Um diese Puzzleteile zu einem sinnvollen Bild zusammenzufügen, musste das Projekt die Stoffwechselmerkmale der Bakterien näher untersuchen. „Wir wissen nun zum Beispiel mehr über die genauen Bakterien, die für die Produktion von Terpenen mit Thiocyanaten (die antimikrobielle Eigenschaften besitzen) verantwortlich sind.“ Das Team hat ebenfalls Aufschluss darüber erhalten, wodurch sich die Glykoproteine und Glykolipide, die in Schwammsymbionten so reichlich vorkommen, möglicherweise isolieren lassen könnten. Anhand von bioinformatischen Analysen konnten die Projektpartner ein frei lebendes Bakterium identifizieren, das eine den Polytheonamiden sehr ähnliche Verbindung produziert. Polytheonamide sind hoch zytotoxische Moleküle, die, wie das Projekt herausfand, von symbiotischen Bakterien aus dem Schwamm Theonella swinhoei produziert werden. Es gelang den Forschern, dieses frei lebende Bakterium genetisch zu modifizieren. Dadurch wurde es möglich, verschiedene Polytheonamid-ähnliche Moleküle mit unterschiedlichen pharmakologischen Merkmalen zu produzieren. Ein Projekt von anhaltendem Nutzen Dr. Sipkema ist zuversichtlich, dass die grenzübergreifende Zusammenarbeit seine Forschung positiv bereichert hat. „Das Netzwerk hat wirklich als Team gearbeitet. Es wurden sehr starke Partnerschaften für Forschungsarbeiten geschmiedet, die die Projektpartner für sich alleine nicht hätten stemmen können. So kamen wir entsprechend schneller voran und konnten die Forschungsmittel effizienter nutzen“, so Dr. Sipkema. „Die Zusammenarbeit, die im Verlauf des Projekts entstand, besteht nach wie vor und wird noch lange fortgesetzt werden. Ich würde mich freuen, das entstandene Netzwerk auszuschöpfen und weiter voranzubringen und zugleich weiterhin vom eingerichteten Schulungsprogramm und dem beachtlichen Kooperationsgeist profitieren zu können“, so Dr. Sipkema.
Schlüsselbegriffe
BluePharmTrain, Pharmakologie, mariner Schwamm, Symbiose, Krebs, antimikrobiell, Antibiotikaresistenz, Gesundheit, Bakterien
