Bakterienkiller aus dem Meer

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Auf der Suche nach antimikrobiellen Peptiden wurden Kieler Forscher im Meer fündig. Quelle: Mila Zinkowa / wikimedia.org

23.11.2011  - 

Keime werden zunehmend resistenter gegen herkömmliche Antibiotika, gleichzeitig sinkt die Anzahl neu zugelassener Wirkstoffe. Wissenschaftler der Universität Kiel und der Planton GmbH Kiel suchen gemeinsam nach Abwehrstoffen im Meer. Marine Mikroorganismen sollen die Bakterienkiller der Zukunft liefern: antimikrobielle Peptide (AMP). Das Biokatalyse2021-Projekt  „Isolierung, Charakterisierung und Produktion antimikrobieller Peptide mariner Mikroorganismen“ wurde vor Kurzem abgeschlossen und vom Bundesminesterium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 300.000 Euro gefördert.

Die Vielfalt dieser Abwehrstoff ist kaum überschaubar, unter ihnen sind auch aus Aminosäuren zusammengesetzte Stoffe, in der Natur sehr weit verbreitet – auch der Mensch produziert sie beispielsweise in seinen Schleimhäuten. Das Team um den Projektkoordinator  Ph. Dr. Michael Kleine, dem Geschäftsführer der Planton GmbH in Kiel, hat sich der Aufgabe verschrieben, im Meer solche Wirkstoffe zu finden. Doch die Aufgabe gleicht der Suche nach der sprichwörtlichen Nadel im Heuhaufen. „Am Anfang dauerte es Monate, vielversprechende Organismen ohne die Anwesenheit eines anderen Organismus zu kultivieren“, erklärt Heike Baumann, Mikrobiologin am IFM-Geomar. „Das ist eine Voraussetzug für das nachfolgend molekularbiologisch- und chemisch basierte Screening nach neuen AMPs.“

Extrakte aus 631 marinen Organismen getestet

Die Proben stammen aus Meeressedimenten und der Schleimschicht auf der Haut von Fischen. Die assoziierten Mikroorganismen wurden bisher kaum auf die Produktion vom AMPs untersucht, deshalb hoffen die Wissenschaftler, durch diesen Ansatz neue AMPs zu entdecken.  „Es gibt schon ungeheuer viele Wirkstoffe und auch Peptide, insofern ist die Chance, eine bekannte Substanz zu finden, durchaus größer als die einer neuen“, sagt auch Professor Johannes M. Imhoff, Leiter des Kieler Wirkstoff-Zentrums (KiWiZ) am IFM-GEOMAR. Die Kieler Wissenschaftler haben insgesamt 631 aussichtsreiche Organismen identifiziert, aus denen sie lösungsmittelbasierte Extrakte gewannen. Nach einem Test der Bioaktivität blieben 290 Stämme mit antimikrobieller Aktivität übrig, von denen sich das Projektteam auf 24 ausgewählte Organismen konzentrierte.Die größte Herausforderung bestand für die Wissenschaftler darin, aus den Extrakten die Wirkstoffe zu identifizieren, die für die antimikrobielle Aktivität verantwortlich sind. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf einer Klasse von Peptiden, die von speziellen nicht-ribosomalen Peptidsythetasen (NRPS) produziert werden. Dieser Herstellungsweg sei energieffizienter, der Organismus könne mehr Peptide herstellen, ihre chemische Vielfalt sei größer und man könne außerdem modifizierte Aminosäuren einbauen, erklärt Professor Daguang Cai vom Institut für Molekulare Phytopathologie an der Christian-Albrechts-Universität Kiel. Gleichzeitig zu der Arbeit am Peptid untersuchen die Kieler weiter die Mikroorganismen, die die begehrten Moleküle erzeugen. Insgesamt habe das Projekt vielversprechende Ergebnisse geliefert, so das Konsortium. Das heißt, es sind mehrere antibiotisch aktive neue Peptide identifiziert worden, die eine Weiterführung des Projektes als sehr lohnend erscheinen lassen.

Elektrische Aktivität von Herzzellen gemessen

Es ermöglicht, nicht nur die elektrische Aktivität der gesamten Zelle zu messen, sondern zeichnet auch auf, wie sich diese Signale nach Zugabe von Medikamenten verändern. „Die elektrische Aktivität der Zelle wird seit Jahrzehnten gemessen“, räumt Lipp ein. Doch die dazu verwendete Patch-Clamp-Technik sei aufwändig und nicht für den Industriemaßstab geeignet, kritisiert er. „Nach einem Tag hat man vielleicht eineinhalb Dutzend Zellen untersucht.“ Er und seine Kollegen haben die Technik deshalb mit anderen Verfahren kombiniert und so modifiziert, dass sie auf voll entwickelte Herzmuskelzellen anwendbar sind. Und sie setzen auf Fluoreszenzmikroskopie, ein berührungsloses optisches Verfahren. Automatisiert kann ein solches Mikroskop bis zu eintausend Bilder pro Sekunde aufnehmen. Diese feine Auflösung ist wichtig, wenn die Veränderung der Zellaktivität im Laufe der Zeit genau abgebildet werden soll.

So ähnlich wie ein EKG 

Um die elektrischen Signale der Zellen sichtbar zu machen, werden diese zuvor mit einem Farbstoff versetzt, dessen optische Eigenschaften sich mit der elektrischen Aktivität der Zelle verändern. Einen passenden Farbstoff zu finden, sei Teil der Forschung, betont Lipp: „Man benutzt dazu meistens organische Moleküle. Eine neue, vielversprechende Methode ist jedoch, die Zellen genetisch so zu verändern, dass sie den Farbstoff  als Proteine selbst herstellen.“ Die Zellen werden also eingefärbt und das Signal gemessen, anschließend wird das potenzielle Medikament zugegeben und registriert, wie sich das optische Signal als sichtbarer Indikator der elektrischen Zellaktivität verändert. „Man kann das ein bisschen mit einem EKG vergleichen“, sagt Lipp, "die Signale haben nach der Medikamentengabe unter Umständen eine andere Wellenlänge“. 

Um die Signale auszuwerten, den Prozess zu automatisieren, Zellen zu kultivieren und entsprechend zu mikroskopieren, arbeitet die UdS mit einem Konsortium aus sieben Unternehmen zusammen, unter ihnen CyBio, eine Tochter der AnalytikJena GmbH sowie die Parascelsus GmbH, die Experten in der Grundlagenforschung stellt. Diese bringen unter anderem ihr Know-How für die Zertifizierung und den Bau eines industriell einsetzbaren Gerätes ein. Bis zum Projektende im Juni 2014 wollen Lipp und Kaestner zusammen im Verbund einen Demonstrator entwickelt haben, der der Industrie als Vorlage für einen Prototyp dienen kann. „Im Prinzip forschen wir bis dahin, wo die industrielle Entwicklung anfängt, und übergeben es dann an die Firmen“, sagt Kaestner. „Dabei wollen wir einmal das Verfahren als Serviceleistung nutzbar machen, und zum anderen die Vorarbeit für eine entsprechende Produktentwicklung leisten. Wir forschen ja nicht nur für uns im Labor. Am Ende soll es ein Test werden, der den Menschen nützt.“

Dieser Text ist ein Auszug aus dem "Biokatalyse 2021 – Clustermagazin" (Ausgabe Nr.4, Oktober 2011)