Neuer Ansatz zur Identifizierung neuartiger mikrobieller Substanzen mit möglicher pharmazeutischer Wirkung
Mikrobielle natürliche Substanzen oder Metaboliten dienten lange Zeit als Basis für viele Wirkstoffe wie z. B. Antibiotika. Durch die Entstehung von Resistenzen krankheitserregender Bakterien verlieren sie jedoch ihre Wirksamkeit.
Ein neuer Ansatz für das Klonen mikrobieller biosynthetischer Gencluster
Normalerweise besteht die Entdeckung neuer natürlicher Moleküle aus der Kultivierung von Bakterien aus großen Stammsammlungen und der chemischen Analyse der produzierten Metaboliten, einem sehr aufwändigen, teuren und langwierigen Verfahren. Mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen suchte das Projekt DiPaC_MC mithilfe von Genomsequenzierung und neuen Technologien der synthetischen Biologie nach neuartigen Molekülen. „Wir wissen, dass Mikroorganismen die genetische Fähigkeit besitzen, weitaus mehr natürliche Substanzen zu produzieren als bisher entdeckt. Dies ist normalerweise der Fall, weil die Gene unter Laborbedingungen möglicherweise ausgeschaltet werden“, erklärt Projektstipendiat Paul D'Agostino. Um dieses Problem zu beheben, nutzte er Mikroorganismen, die für die Biosynthese natürlicher Substanzen bisher vernachlässigt wurden, von denen aber vermutet wurde, dass sie eine große Anzahl an Biosynthese-Genclustern genetisch kodieren. D'Agostino sequenzierte die Genome dieser Mikroorganismen und entwickelte eine neue Strategie für die synthetische Biologie mit dem Ziel, Biosynthese-Gencluster effizient abzufangen und sie in einem alternativen, hinreichend erforschten bakteriellen Wirt zu aktivieren. Da viele dieser genetischen Elemente im ursprünglichen Organismus inaktiv sind, konnte der Forscher die Biosynthese-Gencluster unter Kontrolle verschiedener Reguliermechanismen künstlich einschalten, indem er sie in einen zweiten Wirt transferierte, und anschließend die kodierten natürlichen Substanzen identifizierte. Dieser Ansatz, der als „Direct Pathway Cloning (DiPaC)“ bekannt ist, konnte viele der Schwierigkeiten vorheriger Methoden überwinden, indem die Geschwindigkeit erhöht und die Erfolgsquote gesteigert wurde. Mit der neuen Methode wird es möglich, biosynthetische Stoffwechselwege binnen weniger Wochen abzufangen, umzustrukturieren und zu exprimieren. Die Arbeit des Forschungsprojekts generierte Genomsequenzen für eine Reihe von Mikroorganismen. Wie erwartet zeigte die bioinformatische Analyse, dass viele dieser Organismen verschiedene Biosynthese-Gencluster kodierten, die für die Produktion einzigartiger natürlicher Substanzen zuständig sind. Bisher konnten mehr als 200 solcher Biosynthese-Gencluster identifiziert werden.
Klinische Ergebnisse des Projekts DiPaC_MC
„Da Arzneimittelresistenzen in naher Zukunft zu einem großen globalen Problem zu werden drohen und Arzneimittelunternehmen Programme zur Wirkstoffentdeckung einstellen, bleibt es jetzt der Wissenschaft überlassen, die Lücke in der Entdeckung neuer Antibiotika zu schließen“, betont D'Agostino. Die DiPaC-Methode bietet einen neuen Ansatz zur Molekülentdeckung auf der Grundlage bioinformatischer Vermutungen zur chemischen Neuartigkeit des Endprodukts. Vor allem ermöglicht dieser Ansatz die Aktivierung der Biosynthese-Gencluster schneller als mit traditionellen Methoden. Außerdem können durch die Transferierung der Gene in einen schneller wachsenden Wirt höhere Produkttiter erreicht werden. Durch den Einsatz bewährter molekularbiologischer Verfahren kann die DiPaC-Methode einfach in andere Labore übertragen werden. Schon jetzt wollen viele Forschungsteams diese Technologie verwenden. DiPaC wird somit voraussichtlich einen wesentlichen Beitrag zur raschen Entdeckung bioaktiver natürlicher Substanzen haben. Die Methode kann außerdem zur Identifizierung von Enzymfunktionen besonders interessanter Proteine sowie zur Generierung analoger Präparatebibliotheken in der Hoffnung auf eine Steigerung der Bioaktivität verwendet werden. „Die Implementierung der DiPaC-Methode auf phylogenetisch entfernte Mikroorganismen wird die Entdeckung neuartiger natürlicher Substanzen und die Biochemie voranbringen. Somit steigt auch die Wahrscheinlichkeit, dass Moleküle, die für die Pharmazie von Bedeutung sind, entdeckt werden“, so D'Agostino abschließend.
Schlüsselbegriffe
DiPaC_MC, Direct Pathway Cloning (DiPaC), Wirkstoffentdeckung, Biosynthese-Gencluster, Genomsequenzierung, Genome Mining, Bioinformatik