Am Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS) nutzen Forschende im Boden lebende Myxobakterien als Quelle neuer Wirkstoffe. Diese können sie vor allem in bislang noch wenig untersuchten Bakterien entdecken. In jahrzehntelanger Arbeit konnte eine Forschungsgruppe die biologische Vielfalt der Myxobakterien erheblich erweitern.
Die Bedrohung durch Antibiotikaresistenzen nimmt weltweit zu. Die Erforschung neuer Wirkstoffe ist daher von grösster Bedeutung, um bakterielle Infektionen auch in Zukunft effektiv behandeln zu können. Hier spielen Naturstoffe eine entscheidende Rolle. Myxobakterien sind im Vergleich zu anderen Mikroorganismen noch relativ unerforscht, was die Chance auf interessante Entdeckungen erhöht. Denn: je höher die biologische Vielfalt der untersuchten Bakterien, desto grösser die Chance, dass sie bislang unbekannte Wirkstoffkandidaten herstellen. In der veröffentlichten Studie in der Fachzeitschrift Advanced Science beschreiben die Forschenden 118 neue Myxobakterien sowie deren sequenzierte Genome. Damit erweitern sie die verfügbaren genomischen Ressourcen erheblich. Die Mikroorganismen sowie deren genetische Daten als Grundlage für die Entdeckung neuer Wirkstoffe stellen sie jetzt der gesamten Forschungscommunity zur Verfügung.
In der Ordnung der Myxobakterien waren bislang lediglich 11 Familien und 32 Gattungen bekannt. Ein Team um Prof. Rolf Müller, wissenschaftlicher Direktor des Helmholtz-Instituts für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS) und Leiter der Abteilung «Mikrobielle Naturstoffe», sammelte über Jahrzehnte hinweg Bodenproben und isolierte aus ihnen vorwiegend Myxobakterien. Unterstützt wurden sie dabei auch von Bürgerinnen und Bürgern im Rahmen der Citizen Science-Kampagne Microbelix. So konnten sie die Vielfalt dieser vielversprechenden Naturstoffproduzenten auf 28 Familien und 90 Gattungen erhöhen. Zusätzlich entschlüsselten die Forschenden den genetischen Code aller neu beschriebenen Vertreter der Myxobakterien. «Die neu isolierten Bakterien und deren Genomsequenzen bieten uns einen reichhaltigen Schatz an neuartigen Naturstoffen und deren genetischen Bauplänen. In praktisch jedem der analysierten Genome finden wir gleich mehrere Gensequenzen für die Herstellung potenzieller Wirkstoffe, die noch niemand zuvor gesehen hat – das ist wahnsinnig spannend», sagt Dr. Ronald Garcia, Wissenschaftler in der Abteilung «Mikrobielle Naturstoffe».
Um Forschenden weltweit die Nutzung dieser Daten zu ermöglichen, stellt das HIPS-Team ABC-Myxo zur Verfügung, einen interaktiven, webbasierten Atlas der Genbereiche, mit denen Myxobakterien Wirkstoffe herstellen. Der Service ist für Forschende auf der ganzen Welt kostenfrei nutzbar. Die Bakterien selbst werden in Zukunft vom Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen zu Forschungszwecken vorgehalten.
Forschung am HIPS
Myxobakterien sind in der Lage, zahlreiche Naturstoffe mit hoher struktureller und funktioneller Diversität zu produzieren. Bisher identifizierte myxobakterielle Naturstoffe zeigen Aktivitäten gegen eine Vielzahl an Organismen, von Bakterien und Pilzen bis hin zu Säugerzellen und Viren. Am HIPS werden sowohl aktivitäts- als auch strukturgeleitete Ansätze verwendet, um solche bioaktiven Stoffe zu identifizieren. Auch das Genome Mining wird genutzt, um das biosynthetische Potential wenig erforschter Myxobakterien zu erkunden. Im Anschluss an die Identifizierung arbeiten die Forschenden an der Aufklärung der Struktur, des molekularen Syntheseweges sowie der Wirkweise interessanter Naturstoffe. Diese Informationen schaffen die Grundlage für die biotechnologische und chemische Verbesserung der Substanzen. Das Ziel ist es, Leitstrukturen zu ermitteln und weiterzuentwickeln. Am Institut wurde eine Stammsammlung mit mehr als 10’000 einzigartigen myxobakteriellen Stämmen aufgebaut, welche aus Proben von der ganzen Welt isoliert wurden.
Dass sich aus den Bakterien und deren genetischen Informationen tatsächlich neue Naturstoffe ableiten lassen, konnte die Forschungsgruppe ebenfalls belegen. In ihrer Studie beschreiben sie gleich fünf neue Substanzklassen: Myxoquaterine sind wirksam gegen Pilze, Sandacrabine gegen Viren und die Sandarazole wirken antibakteriell. Zudem wurden neue Sorangibactin-Siderophore entdeckt sowie Pyxidicycline als neuartige Topoisomerase-Hemmer. «Unsere Daten belegen eindrücklich, wie wichtig mikrobielle Biodiversität für die Entdeckung neuer Natur- und Wirkstoffe ist», sagt Müller. «In bereits gut untersuchten Mikroorganismen sind kaum neue Substanzen zu finden. Unsere myxobakterielle Sammlung hingegen bietet beispielloses Potenzial, um wirklich neue chemische Strukturen zu entdecken. Damit legt sie den Grundstein für dringend benötigte Wirkstoffe, um Infektionserkrankungen auch in Zukunft effektiv behandeln zu können.»
Auch interessierte Laien können mithelfen, die Vielfalt der untersuchten Myxobakterien stetig zu erweitern: Im Rahmen des Mitmach-Projekts Microbelix können alle Interessierten Bodenproben in naturnahen Räumen sammeln, sie den Forschenden am HIPS schicken und so einen Beitrag für die Entdeckung neuer Wirkstoffe leisten (siehe www.microbelix.de).
