Das verborgene Potenzial mariner Mikrobiome ergründen
Jeder Liter Meerwasser enthält Milliarden von Bakterien, Viren, Phytoplankton und Protisten, die zusammen komplexe marine Mikrobiome bilden. Diese mikroskopisch kleinen Gemeinschaften bilden die Grundlage mariner Ökosysteme und stellen eine riesige, weitgehend unerschlossene Quelle für Enzyme, bioaktive Verbindungen und andere wertvolle Moleküle dar. Die Erschließung ihres Potenzials für Anwendungen im Arzneimittel- und Kosmetiksektor sowie für die Umweltsanierung stützte sich jedoch bislang auf langwierige Ansätze der Bioprospektion. Diese Ansätze erfordern zudem eine Menge Ressourcen und können die marinen Ökosysteme unnötig belasten.
Eine grünere Erforschung der marinen biologischen Vielfalt
Das Ziel des EU-finanzierten Projekts BLUETOOLS(öffnet in neuem Fenster) bestand darin, diese Einschränkungen durch eine Neugestaltung der gesamten Entdeckungspipeline zu überwinden. Anstatt sich in erster Linie auf wiederholte Probenahmen und groß angelegte Laborscreenings zu stützen, kombinierte das Projekt gezielte Probenahmen, Metagenomik, innovative Kultivierungsstrategien im Miniaturformat, Bioinformatik und Nachhaltigkeitsbewertung zu einem einzigen interoperablen Arbeitsablauf. „Unser Vorhaben war es, aus deutlich weniger Material möglichst viele Erkenntnisse zu gewinnen. Die meisten der während des Projekts analysierten Proben befanden sich bereits in den Sammlungen von Partnern, sodass wir den wissenschaftlichen Wert maximieren und gleichzeitig unnötige Störungen der Umwelt vermeiden konnten“, erklärt Projektkoordinator Aurelio Hidalgo. Das Konsortium generierte mehr als 1 Tbp (Terabasepaare) an (metagenomischen) Sequenzdaten, die weiterhin künftige Forschungsvorhaben unterstützen können. Gleichzeitig miniaturisierte das Forschungsteam funktionelle Screening-Assays auf Tröpfchen im Picoliter-Maßstab, um den Probenbedarf, den Reagenzienverbrauch und den Laborabfall zu reduzieren. Im Vergleich zum herkömmlichen robotergestützten Screening erweist sich die neue Plattform schätzungsweise als rund 400-mal effizienter.
Von der Entdeckung zur Anwendung
Eine zentrale Errungenschaft von BLUETOOLS war die Integration von Technologien, die oftmals separat angewandt werden, in eine einheitliche Plattform für die Entdeckung der biologischen Vielfalt. Durch die Kombination von maschinellem Lernen, synthetischer Biologie, Tröpfchenmikrofluidik und fortgeschrittener Bioinformatik wurden vielversprechende biologische Funktionen, die in komplexen marinen Mikrobiomen verborgen sind, schnell identifiziert und validiert. Bei der Forschung wurden mehr als 500 bisher unbekannte Enzyme mit potenziellen industriellen Anwendungsmöglichkeiten entdeckt. Diese Enzyme könnten herkömmliche chemische Katalysatoren ersetzen, um selektivere und umweltfreundlichere biokatalytische Vorgänge zu ermöglichen. BLUETOOLS entwickelte ein https://doi.org/10.1093/nar/gkae1115(öffnet in neuem Fenster) Metagenomik-Toolkit, mit dem das Forschungsteam mehr als 40 Polymer abbauende Enzyme, acht mikrobielle Konsortien mit der Fähigkeit zum Abbau von Polymeren sowie eine Sammlung antimikrobieller Wirkstoffkandidaten mit potenziellen Anwendungen im Gesundheitswesen und in marinen Antifouling-Technologien identifizieren konnte. Parallel dazu wurden mehr als 4 000 Kandidaten für biosynthetische Gencluster entdeckt, die zukünftige Quellen für wertvolle Naturstoffe darstellen können. Des Weiteren wurden verschiedene Kultivierungsplattformen entwickelt, die von mikroskopisch kleinen Tröpfchen bis hin zu größeren Bioreaktoren reichten und die Erforschung von mikrobiellen Gemeinschaften unter verschiedenartigen Umweltbedingungen ermöglichten.
Ein nachhaltiger Rahmen für die Entdeckung der marinen biologischen Vielfalt
Abgesehen von einzelnen Entdeckungen hat BLUETOOLS einen umfassenden Rahmen geschaffen, der sowohl die Forschung als auch industrielle Innovationen weit über das Ende des Projekts hinaus unterstützen kann. Das Konsortium konzentriert sich nun darauf, seine aussichtsreichsten Enzyme, Resistenzgene, antimikrobiellen Verbindungen und Polymer abbauenden Systeme zu validieren, und gleichzeitig deren Umweltverträglichkeit mittels Lebenszyklusanalyse zu bewerten. Dieser Ansatz wird zur Ermittlung von Technologien mit echten Nachhaltigkeitsvorteilen und weiteren erforderlichen Optimierungsmaßnahmen vor der kommerziellen Bereitstellung beitragen. BLUETOOLS beweist, dass wissenschaftliche Innovationen bei gleichzeitigem Schutz der Meeresökosysteme vorangebracht werden können. Das Projekt eröffnet neue Möglichkeiten zur Entdeckung von Lösungen für die Gesundheitsversorgung, den Industriesektor und die ökologische Nachhaltigkeit, da es eine grundlegend neue Erforschung mariner Mikrobiome ermöglicht. „Unser wichtigstes Vermächtnis ist der Beweis, dass die zukünftige Entdeckung der biologischen Vielfalt sowohl einen wirtschaftlichen Wert als auch ökologische Verantwortung schöpfen sollte – wir bezeichnen diesen Ansatz als ‚Ökonologie‘“, erklärt Hidalgo.
