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Nr. 99, 06.07.2019  voriger  Übersicht  weiter  REIHEN  SUCHE  Feedback 

Werkzeuge für innovative Wirkstoffe

Marine Organismen sind eine vielversprechende Quelle für biologisch aktive Sub­stanzen, die zum Beispiel in der Medizin dringend gebraucht werden. Wissen­schaft­lerinnen der Uni Kiel entwickeln neue Techniken, um diesen Schatz zu bergen.


Livia Saleh sucht in Proben von Meeresschwämmen und anderen marinen Organismen kleine Eiweiß­moleküle mit nützlichen Eigenschaften. Gefragt sind vor allem Substanzen, die Biofilme verhindern. © Kerstin Nees

Professorin Ruth Schmitz-Streit ist davon überzeugt, dass der Stoffwechsel von Lebewesen im Meer noch viele wertvolle Biomoleküle bereit hält. »Die Organismen in den Ozeanen haben sich über mehrere Millionen Jahre entwickelt, viel früher als auf den Erdteilen. Das heißt, die Diversität ist extrem hoch«, erklärt die Wissenschaftlerin vom Institut für Allgemeine Mikrobiologie und vom meereswissen­schaftlichen Forschungsschwerpunkt Kiel Marine Science (KMS). Aus dieser Vielfalt möchte sie bioaktive Stoffe herausfischen. Und zwar speziell solche, mit denen sich die Bildung von sogenannten Biofilmen verhindern lässt.

Biofilme sind die schleimigen Beläge aus Bakterien und anderen Mikroorganismen, die sich über­wiegend an Oberflächen festsetzen. Typischerweise findet man sie an Grenzflächen, zum Beispiel Oberflächen, die von Flüssigkeit überspült werden, wie Rohrleitungen oder auch medizinischen Implantaten oder Kathetern. Hier sind Biofilme besonders problematisch, da sie chronische und wiederkehrende Infektionen verursachen können, gegen die normale Antibiotika kaum wirken.

Nötig sind daher neue Strategien zur Bekämpfung und Verhütung von Infektionen durch Biofilmbakterien. Damit befasst sich auch die Arbeitsgruppe von Schmitz-Streit. »Proteine, die Biofilme verhindern, finden wir massiv im Meer«, betont die Wissenschaftlerin. Unter anderem wurde in einer früheren Arbeit ein ► Protein identifziert, das die Zell-Zell-Kommunikation zwischen Bakterien stört und damit die Biofilmbildung unterbindet.

In einem neuen Projekt konzentrieren sich Schmitz-Streit und ihre Mitarbeiterin Dr. Livia Saleh darauf, Peptide, also »kleine Proteine« in Proben von marinen Organismen zu finden, die die Entstehung von Biofilmen bekämpfen. Die Arbeiten erfolgen innerhalb des internationalen EraNet Verbundprojekts MarBioTech (Advanced Marine Biotechnology toolbox for accessing the uncultivated marine microbial biodiversity and its novel biomolecules), das von der Universität Hamburg koordiniert und vom Bundesforschungsministerium gefördert wird.

Durch die Entwicklung innovativer Instrumente und Technologien soll eine Toolbox zur Erschließung der marinen Biodiversität und ihrer neuen Biomoleküle geschaffen werden. Der Fokus liegt dabei auf nicht kultivierten Mikroorganismen. Weitere Projektpartner sind die University of British Columbia, Vancouver/Kanada, das Forschungszentrum SINTEF, Trondheim/Norwegen, und die Firma ArcticZymes, Tromsø/Norwegen.

Grundsubstrat für die Suche nach Anti-Biofilm-Molekülen ist genetisches Material von Organismen aus verschiedenen marinen Habitaten. Aktuell erforschen die Biologinnen Proben von Meeresschwämmen. Dafür legen sie zunächst sogenannte Genbibliotheken an. Diese enthalten definierte Fragmente der kompletten Genome der Probe, die jeweils in einen einzelligen Organismus (Escherichia coli) übertragen wurden. Auf entsprechendem Nährboden vervielfältigt E. coli das jeweils eingefügte DNA-Fragment und produziert die entsprechenden Proteine oder Peptide.

Diese Genbibliotheken werden dann mit funktionellen Screeningverfahren weiter untersucht. Es wird also geprüft, welches Fragment für die gewünschte biologische Aktivität verantwortlich ist. »Wir haben zum Beispiel einen sehr schnellen Screen, mit dem man auf einen Blick erkennen kann, wann der Biofilm wächst und wann nicht«, erklärt Ruth Schmitz-Streit. Für die weiteren detaillierten Analysen sind dann die Ansätze interessant, in denen der Biofilm nicht entstanden ist. Aus den entsprechenden Zellen filtert Dr. Livia Saleh nur die Moleküle mit niedriger Masse heraus. »Wir wollen nicht die großen Proteine, die Biofilme verhindern, sondern die kleineren Peptide. Die kann man dann mit verschiedenen biochemischen Methoden weiter analysieren und identifizieren«, erklärt Saleh.

»Wenn wir genau wissen, welche Moleküle die gewünschte Funktion haben, kann man ein solches Peptid synthetisch herstellen lassen und dann testen, ob es tatsächlich den Biofilm verhindert«, ergänzt Schmitz-Streit. Der Vorteil kleiner Peptide: Sie lassen sich deutlich einfacher im Labor künstlich herstellen, und vor allem wird für die Herstellung kein gentechnisch veränderter Organismus benötigt. Und das ist eine Grundvoraussetzung für den Einsatz in der Medizin.

Ein weiteres wesentliches Anliegen des Projekts ist, die Suche nach neuartigen Wirkstoffen zu beschleunigen. »Wir wollen neue und innovative Screening-Tools außerhalb einer lebenden Zelle (in vitro) etablieren, die das Auffinden mariner Biomoleku?le beschleunigen und verbessern. Dazu werden wir auch neuartige marine Modellsysteme zur Expression der genetischen Information entwickeln«, so Schmitz-Streit.

Kerstin Nees

Video: Das Video zeigt die Bildung eines Biofilms. Zellen, die aus der Biofilm-Gründerzelle stammen, sind blau markiert. Quelle: Nature Physics 2019; 15: 251–256

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