Ein Forschungsteam vom Leibniz-Institut für Naturstoffforschung und Infektionsbiologie (Leibniz-HKI) und dem Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena hat die Zusammensetzung eines lange rätselhaften gelben Pigments entschlüsselt, das von einem Zellulose-abbauenden Bakterium produziert wird. Die „Celluxanthenes“ zeigen nicht nur Bindung an pflanzliche Biomasse, sondern auch antibiotische Wirkung. Ihre einzigartige Struktur und Biosynthese eröffnen neue Wege in der Biotechnologie und Medizin.
Leben ohne Sauerstoff – eine unterschätzte Welt
Anaerobe Bakterien gehören zu den ältesten Lebensformen der Erde. Sie brauchen keinen Sauerstoff zum Überleben. Im Gegenteil: Sauerstoff kann ihnen sogar schaden. Diese Mikroorganismen besiedeln extreme Lebensräume wie den Meeresboden oder den menschlichen Darm. Ihre Enzyme funktionieren nur unter streng sauerstofffreien Bedingungen – eine Herausforderung für die Forschung, aber auch ein Potenzialträger für neue Anwendungen.
Ein Bakterium sticht dabei besonders hervor: Clostridium thermocellum. Es zerlegt Zellulose, den Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände, in verwertbare Zucker. Damit kann es als Grundlage für die Herstellung von Biokraftstoffen dienen – etwa Bioethanol.
Ein Pigment mit Signalwirkung
Seit Langem fiel bei der Zersetzung von Zellulose durch Clostridium thermocellum eine gelbe Färbung auf. Forschende bezeichneten sie als YAS – „Yellow Affinity Substance“. YAS haftet an Zellulose und wurde ursprünglich als eine Art Signalstoff für abbauende Enzyme vermutet. Doch was genau hinter dieser Substanz steckt, blieb jahrzehntelang unklar.
Jetzt gelang dem Team vom Leibniz-HKI der Durchbruch. Sie konnten die molekulare Struktur der Pigmente aufklären und deren biosynthetischen Ursprung identifizieren.
Die Entdeckung der Celluxanthenes
Das Rätsel um YAS ist gelöst: Es handelt sich nicht um eine einzelne Substanz, sondern um eine ganze Familie gelber Pigmente, die sogenannten „Celluxanthenes“. Die Moleküle zeigen eine für Bakterien völlig neuartige Struktur. Sie bestehen aus einem Indolring, kombiniert mit einem tetronathaltigen Polyen-Gerüst – eine molekulare Architektur, die in der Natur bisher unbekannt war.
Die Identifikation der Celluxanthenes erforderte eine aufwendige Analyse. Unter sauerstofffreien Bedingungen kultivierten die Forschenden die Bakterien, extrahierten die Pigmente und untersuchten sie mit spektroskopischen Methoden wie NMR und Massenspektrometrie. Zusätzlich setzten sie Isotopenmarkierungen ein, um die genauen Bausteine – etwa Phenylacetat, Malonat und Tryptophan – zu bestimmen.
Neue Wege in der Biosynthese
Besonders spannend ist der Entstehungsweg der Pigmente. Die Celluxanthenes entstehen durch eine sogenannte iterative Typ-I-Polyketidsynthase (iPKS). Diese Enzymart verlängert eine Molekülkette schrittweise, bis sie schließlich mit einem Tryptophan-Derivat verknüpft wird – gegenläufig zur üblichen Richtung solcher Synthesen.
Diese ungewöhnliche Kopplung führt zu einem einzigartigen Molekülgerüst. Verantwortlich dafür ist das cex-Gencluster. In Experimenten zeigte sich: Fehlt dieses Gen in genetisch veränderten Bakterien, verschwindet das gelbe Pigment komplett. Damit war klar: Das Gencluster steuert die gesamte Pigmentproduktion.
Antibiotische Wirkung – ein unerwarteter Fund
Eine weitere Entdeckung überraschte das Forschungsteam: Die Celluxanthenes wirken gegen bestimmte Bakterien. Tests ergaben, dass sie insbesondere das Wachstum grampositiver Keime hemmen, darunter auch antibiotikaresistente Erreger wie MRSA.
Interessant ist, dass die Pigmente den Zelluloseabbau offenbar nicht beeinflussen. Der ursprüngliche Verdacht, YAS diene als Leitsubstanz für die Enzyme, ließ sich nicht bestätigen. Stattdessen könnten die Pigmente dazu dienen, die Nahrungsquelle Zellulose gegen konkurrierende Mikroben zu verteidigen – ein biologischer Vorteil in nährstoffarmen Lebensräumen.
Verwandte Gene bei anderen Mikroben
Ein Blick in die Genome anderer Zellulose-abbauender Bakterien zeigte: Ähnliche Gencluster kommen häufiger vor als gedacht. Einige Bakterien produzieren eigene Varianten der Celluxanthenes – mit abweichenden Ringstrukturen oder kürzeren Seitenketten. Manchmal jedoch fehlen zentrale Enzyme, wodurch die Pigmentproduktion ausbleibt.
Ein Gen spielt dabei offenbar eine besondere Rolle: eine Hydrolase. Ist sie nicht vorhanden oder an anderer Stelle im Genom eingebaut, bleibt das gelbe Pigment aus.
Anwendungsmöglichkeiten: Von Biokraftstoff bis Medizin
Die Entdeckung der Celluxanthenes eröffnet neue Perspektiven. Die starke Bindung an Zellulose macht sie interessant für die Bioindustrie, etwa bei der Steuerung von Enzymreaktionen in der Biomasseverwertung. Ihre antibiotische Wirkung wiederum bietet Potenzial für die Entwicklung neuer Medikamente gegen resistente Keime.
Da die Gene für Celluxanthenes in vielen Mikroben verborgen liegen, könnten ähnliche Naturstoffe durch gezielte Genaktivierung erschlossen werden. Genau das ist das Ziel des Forschungsprojekts „AnoxyGen“ unter Leitung von Professor Christian Hertweck in Jena. Es verbindet moderne Methoden der synthetischen Biologie mit Wirkstoffforschung.
„Viele dieser Mikroorganismen tragen Gene für die Produktion wertvoller Verbindungen in ihrem Genom, die jedoch unter Standard-Laborbedingungen meist inaktiv bleiben“, erklärt Hertweck.
Ziel des Projekts ist es, diese „schlafenden“ Biosynthesewege in anaeroben Bakterien zu aktivieren – ähnlich wie es bisher nur bei Sauerstoff-verbrauchenden Organismen möglich war.
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