Jena. In einem unscheinbaren Moor im bayerischen Fichtelgebirge könnte ein bislang kaum erforschter Schatz für die Medizin der Zukunft verborgen liegen. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat Tausende genetische Baupläne für biologisch aktive Naturstoffe in Moorbakterien identifiziert. Besonders bemerkenswert: Rund 97 Prozent der untersuchten Gencluster ließen sich keiner bisher bekannten Familie zuordnen. Die Ergebnisse könnten der Suche nach neuen Antibiotika und anderen Wirkstoffen wichtige Impulse geben.
Mehr als 8.000 genetische Baupläne entdeckt
Viele wichtige Medikamente, insbesondere Antibiotika, gehen auf natürliche Substanzen zurück, die Mikroorganismen produzieren. Bakterien nutzen solche Stoffe beispielsweise, um sich gegen konkurrierende Mikroorganismen durchzusetzen oder Nährstoffe aus ihrer Umgebung zu gewinnen.
Wie vielfältig dieser biochemische Werkzeugkasten sein kann, zeigt nun eine Studie, die in der internationalen Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde.
Das Forschungsteam untersuchte Torfproben aus dem Schlöppnerbrunnen-Moor im Fichtelgebirge. Mithilfe moderner Hochdurchsatz-Sequenzierung und Metagenomik analysierten die Wissenschaftler das Erbgut der dort lebenden Bakteriengemeinschaften.
Dabei identifizierten sie zunächst knapp 9.700 sogenannte biosynthetische Gencluster. Diese Abschnitte der DNA enthalten genetische Bauanleitungen für die Herstellung bestimmter chemischer Verbindungen.
Nach dem Aussortieren unvollständiger Genfragmente blieben mehr als 8.000 belastbar identifizierte Gencluster übrig.
Die eigentliche Überraschung folgte beim Vergleich mit internationalen Datenbanken: Etwa 97 Prozent konnten keiner bereits bekannten Gencluster-Familie zugeordnet werden.
Damit eröffnet sich ein weitgehend unerforschtes Feld möglicher Naturstoffe.
Unbekannte Mikroorganismen mit großem Potenzial
An der Untersuchung waren Wissenschaftler des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse“ der Universität Jena, der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, der University of Delaware in den Vereinigten Staaten sowie des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung Halle-Jena-Leipzig beteiligt.
Erstautor Zander Human von der Universität Jena spricht von einer erstaunlichen Vielfalt genetischer Baupläne, die selbst in einem vergleichsweise kleinen Moor vorhanden sei.
Viele dieser Baupläne stammen von Mikroorganismen, die sich unter Laborbedingungen bisher nur schwer untersuchen lassen.
Das erschwert die Suche nach den chemischen Verbindungen, die diese Bakterien möglicherweise herstellen können.
Denn nicht jede Bakterienart lässt sich problemlos im Labor vermehren. Zudem produzieren Mikroorganismen unter künstlichen Bedingungen nicht zwangsläufig dieselben Stoffe wie in ihrem natürlichen Lebensraum.
Die Wissenschaftler müssen deshalb nicht nur die genetischen Fähigkeiten der Bakterien verstehen, sondern auch deren Wechselwirkungen mit ihrer Umwelt.
Nur ein kleiner Teil der genetischen Baupläne ist aktiv
Eine der wichtigsten Erkenntnisse der Studie betrifft den Unterschied zwischen genetischem Potenzial und tatsächlicher Aktivität.
Nur weil ein Bakterium über die Bauanleitung für einen bestimmten Naturstoff verfügt, bedeutet das nicht, dass es diesen Stoff ständig produziert.
Um herauszufinden, welche genetischen Programme im Moor tatsächlich genutzt werden, analysierte das Forschungsteam neben der DNA auch die sogenannte Boten-RNA.
Diese Moleküle geben Hinweise darauf, welche Gene unter den jeweiligen Umweltbedingungen abgelesen werden.
Die Ergebnisse waren überraschend.
Lediglich etwa 9 bis 27 Prozent der untersuchten biosynthetischen Gencluster zeigten in ihrer natürlichen Umgebung eine messbare Aktivität.
Einige Bakteriengruppen verfügten zwar über besonders umfangreiche genetische Repertoires mit mehr als 20 verschiedenen Bauplänen, blieben im Moor jedoch weitgehend inaktiv.
Damit zeigt sich, dass die Zahl vorhandener Gene allein wenig darüber aussagt, welche chemischen Verbindungen Mikroorganismen tatsächlich herstellen.
Acidobacteriota überraschen die Wissenschaftler
Besonders interessant erwies sich eine Bakteriengruppe mit dem Namen Acidobacteriota.
Diese Mikroorganismen verfügen im Vergleich zu manchen anderen Bakterien über ein eher begrenztes Repertoire an genetischen Bauplänen für Naturstoffe.
Trotzdem entfielen auf sie etwa zwei Drittel der gemessenen Aktivitätssignale entsprechender Gene.
Die Forschenden entdeckten zudem einen auffälligen Zusammenhang.
Wenn bei diesen Bakterien Gene aktiv waren, die für den Abbau komplexer pflanzlicher Materialien benötigt werden, zeigten häufig auch Gene für die Naturstoffproduktion eine erhöhte Aktivität.
Das deutet darauf hin, dass die Herstellung bestimmter Naturstoffe eng mit der Nährstoffaufnahme verbunden sein könnte.
Die Bakterien nutzen ihre genetischen Möglichkeiten offenbar abhängig von den Bedingungen ihres Lebensraums.
Die Umwelt entscheidet mit über die Produktion von Naturstoffen
Mitautor Dr. Carl-Eric Wegner von den Universitäten Jena und Düsseldorf betont, dass die bloße Anzahl genetischer Baupläne nur begrenzt Aufschluss über das Verhalten von Mikroorganismen gibt.
Entscheidend sei, unter welchen Bedingungen die jeweiligen Gene aktiviert werden.
Gerade Moore bieten dafür interessante Forschungsbedingungen.
In diesen Lebensräumen können sich Sauerstoffgehalt, Nährstoffverfügbarkeit und weitere Umweltfaktoren bereits auf engem Raum erheblich unterscheiden.
Die dort lebenden Mikroorganismen müssen sich ständig an wechselnde Bedingungen anpassen.
Dabei beeinflussen sie den Abbau organischer Stoffe, die Freisetzung von Nährstoffen und zahlreiche andere biochemische Prozesse.
Prof. Dr. Kirsten Küsel, Mitautorin der Studie und Sprecherin des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse“, verweist deshalb auf die enge Verbindung zwischen Naturstoffproduktion und ökologischen Kreisläufen.
Die chemischen Aktivitäten der Bakterien seien Bestandteil komplexer Wechselwirkungen innerhalb des gesamten Ökosystems.
Neue Perspektiven für die Entwicklung von Antibiotika
Die Ergebnisse könnten für die pharmazeutische Forschung von besonderer Bedeutung sein.
Viele Antibiotika und weitere Arzneimittel basieren auf Naturstoffen, die ursprünglich von Mikroorganismen gebildet wurden.
Angesichts zunehmender Resistenzen gegen bestehende Antibiotika ist die Suche nach neuen Wirkstoffkandidaten eine wichtige wissenschaftliche Aufgabe.
Bisher konzentrierte sich die Naturstoffforschung häufig auf bekannte Bakteriengruppen wie Aktinobakterien und Pseudomonaden.
Diese verfügen über umfangreiche genetische Möglichkeiten zur Herstellung biologisch aktiver Substanzen.
Die neue Studie zeigt jedoch, dass auch bislang weniger beachtete Gruppen von großem Interesse sein könnten.
Entscheidend ist nicht ausschließlich, wie viele genetische Baupläne ein Mikroorganismus besitzt.
Ebenso wichtig ist, unter welchen Bedingungen er diese tatsächlich verwendet.
Für die künftige Forschung könnte das bedeuten, dass natürliche Umweltbedingungen im Labor gezielter nachgebildet werden müssen.
Dazu gehört beispielsweise die Bereitstellung komplexer Pflanzenfasern oder bestimmter Nährstoffe.
Solche Reize könnten helfen, bisher inaktive genetische Programme einzuschalten und bislang unbekannte Naturstoffe zugänglich zu machen.
Noch keine neuen Medikamente entdeckt
Trotz des großen wissenschaftlichen Potenzials ist eine wichtige Unterscheidung notwendig.
Die Forscher haben Tausende genetische Baupläne identifiziert, aber damit noch keine Tausenden neuen Medikamente entdeckt.
Ob die entsprechenden chemischen Verbindungen tatsächlich hergestellt werden können, welche Eigenschaften sie besitzen und ob sie sich medizinisch nutzen lassen, muss erst untersucht werden.
Auch mögliche Wirkungen gegen Krankheitserreger oder entzündliche Erkrankungen sind bislang nicht nachgewiesen.
Bis aus einer neuen chemischen Verbindung ein zugelassenes Arzneimittel entstehen kann, sind zahlreiche weitere Schritte erforderlich.
Dazu gehören die Isolierung und Charakterisierung der Substanz, Untersuchungen ihrer biologischen Wirkung, Sicherheitsprüfungen und gegebenenfalls klinische Studien.
Die aktuelle Entdeckung liefert deshalb vor allem eine neue wissenschaftliche Grundlage für die gezielte Suche nach geeigneten Wirkstoffkandidaten.
Jenaer Spitzenforschung verbindet Umwelt und Medizin
Die Studie ist Teil der Forschungsarbeit des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse“ an der Friedrich-Schiller-Universität Jena.
Dort untersuchen Wissenschaftler, wie mikrobielle Gemeinschaften miteinander interagieren und welche Bedeutung sie für das Gleichgewicht komplexer Ökosysteme haben.
Die Untersuchung aus dem Fichtelgebirge zeigt, wie eng biologische Vielfalt, Umweltbedingungen und biochemische Prozesse miteinander verbunden sind.
Gleichzeitig entstehen daraus mögliche Verbindungen zur Medizin und zur pharmazeutischen Biotechnologie.
Ein besseres Verständnis darüber, wann und warum Bakterien bestimmte Naturstoffe herstellen, könnte künftig neue Verfahren zur Gewinnung biologisch aktiver Verbindungen ermöglichen.
Gerade bisher schwer kultivierbare Mikroorganismen rücken damit stärker in den Mittelpunkt der Wirkstoffforschung.
Ein kleines Moor könnte die Wirkstoffsuche verändern
Die Untersuchung zeigt eindrucksvoll, wie viel über die biochemischen Möglichkeiten natürlicher Mikroorganismen noch unbekannt ist.
Mehr als 8.000 genetische Baupläne aus einem einzigen Moor bieten zahlreiche neue Ansatzpunkte.
Die Tatsache, dass rund 97 Prozent keiner bisher bekannten Gencluster-Familie zugeordnet werden konnten, macht deutlich, wie groß die Wissenslücken noch sind.
Besonders wichtig ist jedoch die Erkenntnis, dass nicht allein die genetische Ausstattung eines Bakteriums entscheidend ist.
Ebenso bedeutsam sind die Bedingungen, unter denen seine Gene tatsächlich aktiv werden.
Die Suche nach neuen Medikamenten könnte damit künftig stärker von einem besseren Verständnis natürlicher Lebensräume profitieren.
Die Jenaer Forschung zeigt, dass selbst in unscheinbaren Moorlandschaften ein bislang weitgehend unerforschtes biochemisches Potenzial verborgen liegt.
