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13.10.2016, HKI_Chemische Waffen für den Kampf im Verborgenen
 
So wie die Maus gelegentlich Opfer einer Katze oder eines Mäusebussards wird, haben auch Bakterien mit den unangenehmen Seiten der Nahrungskette zu kämpfen. Dass einige dabei nicht ganz wehrlos sind, zeigten jetzt Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie in Jena. Sie entdeckten eine neue Familie chemischer Verbindungen, die Pyreudione. Diese schützen manche Bakterien vor dem tödlichen Angriff durch räuberische Amöben. Ihre überraschenden Ergebnisse veröffentlichten sie im angesehenen Fachjournal Angewandte Chemie International Edition.

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Molekülstruktur von Pyreudion A, einem der neu entdeckten Naturstoffe, die für Amöben giftig sind.Quelle: Pierre Stallforth/HKI

Jedes Gramm gewöhnlicher Erdboden ist ein eigener, höchst lebendiger Mikrokosmos. Er enthält Milliarden mikroskopisch kleiner Lebewesen. Hierzu gehören in erster Linie Bakterien und Pilze, aber auch höhere Lebewesen wie Amöben oder die als Nematoden bezeichneten Fadenwürmer. Leicht vorstellbar, dass diese Organismen heftig um Nahrung konkurrieren. Im Laufe der Evolution haben sich daher Strategien entwickelt, die einzelnen Vertretern dieser Zwangsgemeinschaft Vorteile verschaffen. So bilden viele bodenbewohnende Bakterien Antibiotika, mit denen sie ihre Nachbarn von der Nahrungsquelle fernhalten. Wir nutzen solche Substanzen als Medikamente zur Bekämpfung von Krankheitserregen.

Und auch in diesen winzigen, dem menschlichen Auge meist verborgenen Strukturen bilden sich bereits Nahrungsketten aus, in denen der eine den anderen einfach frisst. Dies ist für viele Amöben bekannt, einzellige Lebewesen, die sich durch Zellausstülpungen fortbewegen. Sie umfließen durch ebendiese Ausstülpungen Bakterien, nehmen sie in sich auf und verdauen sie anschließend. Auf diese Weise können Amöben ganze Bakterienrasen abweiden.

Das Team um den Chemiker Pierre Stallforth widmet sich am Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie in Jena genau diesem Räuber-Beute-Verhältnis. Manche Bakterien wissen nämlich wirksam zu verhindern, selbst gefressen zu werden. So bilden sie Biofilme, die durch Schleim- und Kittsubstanzen fest an einer Unterlage haften und damit für den Gegner schwer angreifbar sind. Andere wiederum ergreifen die Flucht, indem sie einfach davonschwimmen.

Besonders interessant fanden Stallforth und Kollegen jedoch eine Gruppe von Bakterien, die in der Lage sind, Amöben zu schädigen oder gar zu töten. Durch gemeinsame Kultivierung von Amöben mit einer Reihe von Bakterien, die die Forscher aus einheimischem Waldboden isoliert hatten, prüften sie zunächst, welche davon gefressen oder verschmäht wurden. Letztere wurden eingehender daraufhin untersucht, warum sie so unappetitlich waren. An einem Vertreter des weit verbreiteten Bodenbakteriums Pseudomonas fluorescens gelang es Pierre Stallforth und seinem Doktoranden Martin Klapper schließlich, die Ursache dafür aufzuklären. Die Bakterien bilden einen für Amöben tödlichen Giftcocktail und halten sich ihre Fressfeinde damit wirkungsvoll vom Leibe. Die neu endeckten Toxine tragen die Bezeichnung Pyreudione. Es brauchte ausgetüftelte Experimente, um diesen Substanzen überhaupt auf die Spur zu kommen: So kultivierten die Wissenschaftler beide Organismen sowohl in Reinkultur als auch nebeneinander, wobei beide Kulturen durch eine halbdurchlässige Membran getrennt waren. Diese wirkte als extrem feines Sieb: kleine Moleküle gelangten auf die jeweils andere Seite, und schädigten die Amöben, die Bakterien selbst konnten jedoch nicht durch die Membran. So konnten die Wissenschaftler zeigen, dass der direkte Kontakt zwischen den zwei Organismen nicht notwendig war, um die Amöbe zu töten. Vielmehr waren toxische Moleküle die Amöben-Killer.

In aufwendigen Reinigungsschritten und chemischen Analysen konnte das Team schließlich wenige Milligramm Reinsubstanz dieser Giftstoffe isolieren und deren chemische Struktur aufklären. Sie erhielten in Anlehnung an den Produzenten (Pseudomonas) und an das chemische Grundgerüst (Pyrrolizidin-dione) die Bezeichnung Pyreudione. In einem biologischen Test konnten sie außerdem zeigen, dass die Pyreudione auch allein, also ohne die Bakterien, von denen sie gebildet wurden, Amöben abtöten können.

Nun untersucht das kleine Team wie diese Bakterien Pyreudione produzieren. Die Arbeit verdeutlicht, dass mikrobielle Räuber-Beute-Beziehungen eine wertvolle Quelle neuer biologisch aktiver Verbindungen sind. Ob sich eine Anwendungsmöglichkeit für die neu entdeckten Substanzen am Menschen ergibt, bedarf noch weiterer Studien. Der Grundlagenforschung zur chemischen Kommunikation zwischen verschiedenen Organismengruppen – einem wichtigen Forschungsschwerpunkt in Jena – dienen die Erkenntnisse auf jeden Fall.

Der 33-jährige Pierre Stallforth leitet die Nachwuchsforschergruppe Chemie mikrobieller Kommunikation am Hans-Knöll-Institut. Sein Werdegang ist sehr international geprägt. Der gebürtige Bayer studierte in Oxford Chemie und wechselte für seine Doktorarbeit an die ETH Zürich. Bevor er nach Jena kam, forschte Stallforth an der renommierten Harvard Medical School in Boston. „Ich bin sehr gern nach Jena gekommen, da es ein internationales Zentrum für Naturstoff-Forschung ist und mir die Stadt sofort gefallen hat.“

Genomanalysen belegen zunehmend, dass viele Mikroorganismen das Potential haben, bislang unbekannte Wirkstoffe zu bilden. Da sie jedoch mit ihrer Energie haushalten müssen, tun sie dies nur dann, wenn es für das Überleben wichtig ist. Für das Laborexperiment ist es daher wichtig, die natürliche Lebensumgebung von Bakterien oder Pilzen in geeigneter Weise nachzustellen und die Bildung neuer Substanzen anzuregen. Die Wissenschaftler sind davon überzeugt, auf diese Weise neue Moleküle zu entdecken, die künftig als Medikamente nutzbar sein könnten. Die Untersuchung mikrobieller Lebensgemeinschaften oder von Räuber-Beute-Beziehungen ist hierfür ein vielversprechender Ansatz, dem in Jena mit modernsten Methoden nachgegangen wird.

Originalpublikation:
Klapper M, Götze S, Barnett R, Willing K, Stallforth P (2016) Bacterial alkaloids prevent amoebal predation. Angew Chem Int Ed 55(31), 8944-8947. doi: 10.1002/anie.201603312.