Die Aufkl?rung der Struktur und Herkunft der so genannten ?Yellow Affinity Substance“ (YAS, ?Gelbe Affinit?tssubstanz“) liefert neue Erkenntnisse über den Zelluloseabbau durch das Bakterium Clostridium thermocellum (neuer Name: Acetivibrio thermocellus). Es wird vermutet, dass das gelbe Pigment eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung von pflanzlicher Biomasse in verwertbaren Zucker spielt, was neue Perspektiven für die Biokraftstoffproduktion erm?glicht. Au?erdem er?ffnet die Studie neue Ans?tze in der Antibiotikaforschung.

Anaerobe Bakterien – Meister des ?berlebens ohne Sauerstoff

Anaerobe Bakterien geh?rten zu den ersten Lebensformen auf der Erde und existierten bereits zu einer Zeit, als es noch keinen Sauerstoff in der Atmosph?re gab. W?hrend viele Organismen zum ?berleben auf eine sauerstoffreiche Umgebung angewiesen sind, gedeihen Anaerobier an Orten, an denen andere nicht überleben k?nnen – in v?llig sauerstofffreien Lebensr?umen wie dem menschlichen Darm oder dem Meeresboden. Die Enzyme dieser Bakterien sind sogar empfindlich gegenüber Sauerstoff. Ihre bemerkenswerte Anpassungsf?higkeit zieht zunehmend die Aufmerksamkeit der Forschung auf sich.

Anaerobe Bakterien produzieren oft ungew?hnliche Substanzen. Das macht sie für die Forschung und Biotechnologie besonders interessant, zum Beispiel für die Produktion von Antibiotika oder Biokraftstoffen. Au?erdem sind sie unverzichtbare Akteure im natürlichen N?hrstoffkreislauf, indem sie organisches Material wie Zellulose abbauen und N?hrstoffe wieder an das ?kosystem abgeben.

Ein Signalstoff mit einer Schlüsselrolle

Clostridium thermocellum ist eines der bekanntesten anaeroben Mikroben, wenn es um den Abbau von Zellulose – dem Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellw?nde – geht. Es wandelt Zellulose in Zucker um, die dann zur Herstellung von Biokraftstoffen wie Ethanol verwendet werden k?nnen. Ein auff?lliges gelbes Pigment, das von dem Bakterium produziert wird (YAS – Yellow Affinity Substance), spielt bei diesem Prozess eine Schlüsselrolle. YAS lagert sich bevorzugt an Zellulosefasern an. Es wird angenommen, dass YAS dabei hilft, die abbauenden Enzyme genau dorthin zu steuern, wo Zellulose vorhanden ist.

Strukturanalyse von bakteriellen Pigmenten

Forschenden des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie – Hans-Kn?ll-Institut (Leibniz-HKI) und des Max-Planck-Instituts für chemische ?kologie in Jena ist es nun erstmals gelungen, die molekulare Zusammensetzung von YAS aufzukl?ren. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fanden heraus, dass YAS aus mehreren Komponenten, sogenannten Celluxanthenen, besteht und bestimmten deren Molekülstrukturen durch spektroskopische Analysen (NMR, MS) und Isotopenmarkierungsexperimente. Darüber hinaus identifizierten sie durch gezielte genetische Manipulation das verantwortliche Biosynthese-Gencluster.

Ein Pigment mit medizinischem Potenzial?

?berraschenderweise zeigen die Pigmente eine Wirkung gegen bestimmte Mikroorganismen. Die Celluxanthene haben eine milde antibiotische Aktivit?t gegen Gram-positive Bakterien – darunter auch klinisch relevante, resistente Erreger. Das Verst?ndnis der genetischen Grundlagen der Biosynthese er?ffnet zudem die M?glichkeit, Celluxanthene in Zukunft zu produzieren oder zu ver?ndern. Erstautor Keishi Ishida und Erstautorin Jana Krabbe sehen vielversprechende Ergebnisse: Obwohl die gelben Pigmente schon seit fast einem Jahrhundert bekannt seien, blieb ihre Struktur bisher ein R?tsel. Die Forschenden k?nnten nun damit beginnen, m?gliche ?kologische Funktionen zu untersuchen, zu denen auch die antibakterielle Aktivit?t zur Verteidigung der Nahrungsquelle (Zellulose) gegen Konkurrenten geh?rt.

Ein Schritt in Richtung einer nachhaltigen Zukunft

Die Entdeckung und Charakterisierung der Celluxanthene schl?gt eine Brücke zwischen unserem Verst?ndnis des mikrobiellen Stoffwechsels und praktischen Anwendungen in der Energiebranche – und vielleicht in der medizinischen Forschung der Zukunft. Die Erkenntnisse k?nnten auch dazu beitragen, die Nutzung von Pflanzenbiomasse zu optimieren.

Die Forschung ist Teil des Projekts ?AnoxyGen“, für das Christian Hertweck mit einem der angesehenen ERC Advanced Grants des Europ?ischen Forschungsrats ausgezeichnet wurde. Hertweck ist Abteilungsleiter am Leibniz-HKI und Professor für Naturstoffchemie der Universit?t Jena. ?AnoxyGen zielt darauf ab, das verborgene Potenzial von anaeroben Bakterien zur Bildung neuer bioaktiver Naturstoffe zu erschlie?en“, erkl?rt Hertweck. ?Viele dieser Mikroorganismen tragen in ihrem Genom Gene für die Produktion von wertvollen Verbindungen, die aber unter Standard-Laborbedingungen meist inaktiv bleiben.“ Das Team entwickelt neue molekularbiologische Methoden, um diese versteckten Biosynthesewege zu aktivieren – Methoden, die bisher haupts?chlich für aerobe (sauerstoffabh?ngige) Mikroben existieren. Ziel ist es, bisher unbekannte Naturstoffe mit medizinischem oder biotechnologischem Wert zu entdecken und nutzbar zu machen. AnoxyGen verbindet die moderne synthetische Biologie mit der Entdeckung von Wirkstoffen und k?nnte neue M?glichkeiten für die pharmazeutische Entwicklung er?ffnen.

Das Projekt AnoxyGen tr?gt auch zum Exzellenzcluster ?Balance of the Microverse“Externer Link bei, der die komplexen Signal- und Kommunikationsmechanismen innerhalb mikrobieller Gemeinschaften untersucht, die das Leben auf der Erde bestimmen.