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Peptidsynthese Hochgiftiges aus Meeresschwämmen

Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Meeresschwämme beherbergen Bakterien, deren Ausscheidungen sie als tödliche Waffe nutzen. Forscher der Universität Bonn entschlüsselten nun federführend, wie die winzigen Einzeller diese ungewöhnlich komplexen chemischen Substanzen durch eine hochkomplexe Peptidsynthese produzieren. Die Erkenntnisse sollen künftig dazu genutzt werden, auf eine einfache und effiziente Weise neuartige biochemische Stoffe herzustellen.

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Entdeckten ungewöhnliche Bakterien-Werkzeuge: Dr. Christian Gurgui, Prof. Dr. Jörn Piel, Michael Freeman, Maximilian Helf, Brandon Morinaka und Agustinus Uria im Labor (von links).
Entdeckten ungewöhnliche Bakterien-Werkzeuge: Dr. Christian Gurgui, Prof. Dr. Jörn Piel, Michael Freeman, Maximilian Helf, Brandon Morinaka und Agustinus Uria im Labor (von links).
(Bild: Volker Lannert/Uni Bonn)

Bonn – Schwämme im Meer erweisen sich als eine wahre Fundgrube für neuartige Wirkstoffe. Die scheinbar so stoischen Lebewesen führen ihre Schlachten ganz im Stillen: Sie nisten Bakterienkolonien in ihre Hohlräume ein. „Mit deren Hilfe produzieren die Schwämme verschiedenste Gifte, die etwa Feinde und Konkurrenten abwehren“, berichtet Prof. Dr. Jörn Piel vom Kekulé-Institut für Organische Chemie und Biochemie der Universität Bonn. Sein Team untersuchte mit der Medizinischen Mikrobiologie der Universität Bonn und Kollegen der Universitäten Nottingham (England) und Tokyo (Japan) so genannte „Polytheonamide“, die in dem Schwamm Theonella swinhoei produziert werden.

„Wohngemeinschaft“ aus Schwamm und Bakterien

Organismen, die mit dem Meeresschwamm in einer Art „Wohngemeinschaft“ leben, stellen diese Substanzen her. Polytheonamide sind eine chemische Waffe des Schwamms und für lebende Zellen außerordentlich giftig. „Bei dieser Stoffgruppe handelt es sich um komplexe Naturstoffe mit einer äußerst ungewöhnlichen Struktur“, erklärt der Biochemiker von der Universität Bonn. Wie auf einer Perlenkette sind verschiedene Aminosäuren aufgereiht, die zusammen das Peptid bilden. Allerdings ist diese Kette nicht schnurgerade, sondern in sich spiralenartig verbogen. Mit verantwortlich sind ungewöhnliche Bausteine in der D-Form, die neben der normalen L-Form vorkommen. „Die Formen beschreiben die räumliche Anordnung der Atome in Molekülen und verhalten sich wie Bild und Spiegelbild“, sagt Prof. Piel. „Die Stellung der Atome im Raum ist wichtig für die Eigenschaften dieser Verbindungen.“

Sechs Kandidaten machen 48 nachträgliche Abwandlungen

Normalerweise werden Peptide in den Ribosomen der Bakterien produziert. Diese kleinen zellulären Maschinen fügen Aminosäuren nach dem im Erbgut festgeschriebenen Bauplan zu langen Ketten (Peptiden) zusammen. Dabei werden allerdings ausschließlich Aminosäuren in der L-Form eingebaut. „Auch deshalb ging die Wissenschaft bislang davon aus, dass Polytheonamide als hochkomplexe chemische Gebilde unmöglich über den einfachen ribosomalen Weg hergestellt werden können“, berichtet Prof. Piel. „Wir haben nun aber mit genetischen und biochemischen Analysen nachgewiesen, dass diese Substanzen doch über einen solchen Weg in Bakterien hergestellt werden.“

Dies gelingt den winzigen Organismen mit einem Trick: Sie produzieren zunächst mit ihren Ribosomen eine relativ einfache Aminosäurekette – wie ein Bildhauer, der zuerst mit einer groben Axt das Holz bearbeitet. Anschließend beginnt dann die Feinarbeit mit den kleineren Schnitzmessern. Damit aus dem gewöhnlichen Peptid hochkomplexe Polytheonamide als biochemischem Kunstwerk herauskommen, führen die Bakterien insgesamt 48 komplizierte Modifikationen an dem Aminosäurestrang durch. „Es handelt sich um die höchstmodifizierten Peptide, die bislang bekannt sind“, sagt der Biochemiker der Universität Bonn.

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