Eine Apotheke unter Wasser – auf der Suche nach nützlichen Meeresmikroben
Unsere Beziehung zu den nützlichen Mikroben um uns herum ist Teil unserer Evolution – die erste Fermentierung um 7000 v. Chr., stickstofffixierende Bakterien, die erstmals im späten 19. Jahrhundert entdeckt wurden, und die Entdeckung des Penicillins im frühen 20. Jahrhundert sind allesamt Beispiele dafür. Infektionskrankheiten bedrohen weiterhin die menschliche Gesundheit, die Aquakultur und die Landwirtschaft, während die Antibiotikaresistenz (AMR) die Wirksamkeit vieler bestehender Antibiotikabehandlungen beeinträchtigt. Gleichzeitig stehen Landwirtschaft und Fischzucht unter dem Druck, ihre Abhängigkeit von herkömmlichen Antibiotika und chemischen Pflanzenschutzmitteln zu verringern. Das EU-finanzierte Projekt MARBLES(öffnet in neuem Fenster) wurde konzipiert, um diese globalen Herausforderungen anzugehen, indem natürliche mikrobielle Lösungen aus der Meeresumwelt identifiziert werden, die zur Vorbeugung von Krankheiten beitragen, die Gesundheit von Nutzpflanzen und Fischen verbessern und möglicherweise zu zukünftigen Anwendungen im Gesundheitswesen beitragen könnten. Mariana Avalos Garcia(öffnet in neuem Fenster), MARBLES-Projektleiterin an der Universität Leiden(öffnet in neuem Fenster) in den Niederlanden, erklärt, dass die Wissenschaft bisher nur einen winzigen Bruchteil der weltweiten mikrobiellen Vielfalt erforscht haben. „Meeresumgebungen sind besonders vielversprechend, da die Organismen einzigartige Strategien entwickelt haben, um im intensiven Wettbewerb, bei Krankheiten und unter Umweltstress zu überleben. Dabei produzieren sie oft neuartige Verbindungen zu ihrem eigenen Schutz, die mit nichts vergleichbar sind, was an Land zu finden ist“, merkt Garcia an. Daher hat sich MARBLES zum Ziel gesetzt, diese weitgehend unerschlossene marine Biodiversität als Quelle für neue Wirkstoffe zur Bekämpfung von Krankheiten und nützliche Mikroben zu nutzen. Das Team konzentrierte sich auf Meeresschwämme, die besonders interessant sind, da sie äußerst vielfältige mikrobielle Gemeinschaften beherbergen, von denen bekannt ist, dass sie viele Naturstoffe produzieren. Mikroalgen und Fische wurden aufgrund ihrer direkten Relevanz für die Aquakultur und die nachhaltige Nahrungsmittelproduktion ausgewählt. Gilles van Wezel(öffnet in neuem Fenster), MARBLES-Koordinator und Professor für Molekulare Biotechnologie(öffnet in neuem Fenster) an der Universität Leiden, und sein Team wollten zudem Lösungen zur Krankheitsbekämpfung für die Aquakultur und die Landwirtschaft finden. „Bislang stützte sich die Bekämpfung stark auf Antibiotika, chemische Pflanzenschutzmittel und andere synthetische Mittel. Diese Ansätze sind zwar oft wirksam, können jedoch zur Antibiotikaresistenz (AMR), zur Umweltverschmutzung und zu Auswirkungen auf Nichtzielorganismen beitragen“, erläutert er.
Mikroben dazu bringen, bei Tests an Land genauso zu reagieren wie unter Wasser
Das ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Viele Mikroben verfügen über die genetischen Anweisungen, die zur Herstellung potenziell nützlicher Verbindungen erforderlich sind, doch unter normalen Laborbedingungen bleiben diese Anweisungen ‚ausgeschaltet‘. MARBLES suchte nach natürlichen chemischen Signalen, die von Meeresorganismen und ihren mikrobiellen Partnern produziert werden und diese Mikroben dazu veranlassen, diese verborgenen Stoffwechselwege wieder zu aktivieren. Diese chemischen Signale werden als „Elicitoren“ bezeichnet. „Eine einfache Analogie: Die Mikroben verfügen bereits über eine Bibliothek voller Bücher, doch die meisten Bücher sind weggeschlossen. Einen Elicitor zu finden ist wie den Schlüssel zu finden, der bisher ungelesene Bücher öffnet, sodass Wissenschaftler nützliche Moleküle entdecken können, die sonst verborgen blieben“, so Garcia. Das Projekt verband Ökologie, Genomik, Mikrobiologie, Bioinformatik sowie Naturstoffchemie, um nicht nur zu verstehen, welche Mikroben vorhanden waren, sondern auch, wie sie interagieren und welche Moleküle sie produzieren. Dieser systemische Ansatz half den Forschenden, vielversprechende Verbindungen und nützliche mikrobielle Gemeinschaften effizienter zu identifizieren als mit herkömmlichen Screening-Methoden. Indem Mikroben kultiviert und Verbindungen durch Fermentation hergestellt wurden, anstatt große Mengen wildlebender Meeresorganismen wie Schwämme und Fische zu entnehmen, versuchte MARBLES, den Druck auf natürliche Ökosysteme zu minimieren. Wie van Wezel sagt: „Die Biodiversität birgt ein enormes Potenzial für neue Medikamente. Die Idee hinter MARBLES war es, nach vielversprechenden Verbindungen zu suchen – und zwar auf eine Weise, die genau die Biodiversität erhält, aus der man schöpft. Man entnimmt also keine Schwämme aus dem Meer, sondern isoliert die darin lebenden Mikroorganismen, insbesondere die Bakterien, und lässt die Schwämme weiterwachsen.“ Das Projekt entsprach zudem den internationalen Rahmenbedingungen für den Zugang zu marinen genetischen Ressourcen und den Vorteilsausgleich und förderte die nachhaltige Nutzung der marinen Biodiversität.
Identifizierung mariner mikrobieller Verbindungen mit medizinischem Potenzial
Bis zum Abschluss des Projekts hatte das Team mehr als 1 200 mikrobielle Stämme analysiert, mehr als 8 000 Extrakte hergestellt und diese in mehr als 160 000 biologischen Tests gegen eine Vielzahl von Krankheitserregern in der Aquakultur und im Bereich der menschlichen Gesundheit untersucht. MARBLES nutzte neu entwickelte Softwaretools, um die vielversprechendsten Extrakte und neuen Verbindungen mit starker und selektiver Wirkung gegen bestimmte Erregerstämme zu identifizieren. „Für einige davon haben wir mit der Skalierung begonnen, um festzustellen, ob sie für weitere biologische Tests nachhaltig hergestellt werden können“, erklärt Garcia und fügt hinzu, dass dank der EU-Förderung und der Leitung durch van Wezel nicht nur die Projektziele erreicht wurden, sondern die Forschenden auf dem Weg dorthin auch wertvolle Erfahrungen sammeln konnten. „Wir hätten keine bessere Anleitung und Betreuung erhalten können“, so Garcia.
