Strukturaufklärung der „Yellow Affinity Substance“ Ein Gelb, das Medizin und Treibstoff bringt

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Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie e. V. – Hans-Knöll-Institut (HKI)

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Manche anaerobe Bakterien produzieren das gelbe Pigment YAS. Diese Substanz weist antibiotische Eigenschaften auf und ist zudem interessant für die Produktion von Biokraftstoffen. Nun haben Forscher erstmals die Struktur des Pigments entschlüsselt und eröffnen damit neue Wege, die Substanz gezielt zu produzieren und anzupassen.

Anaerobe Bakterien gehörten zu den ersten Lebensformen auf der Erde und existierten bereits zu einer Zeit, als es noch keinen Sauerstoff in der Atmosphäre gab. Während viele Organismen zum Überleben auf eine sauerstoffreiche Umgebung angewiesen sind, gedeihen Anaerobier auch an Orten bei unwirtlichen Bedingungen – in völlig sauerstofffreien Lebensräumen wie dem menschlichen Darm oder dem Meeresboden. Die Enzyme dieser Bakterien sind sogar empfindlich gegenüber Sauerstoff. Ihre bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit zieht zunehmend die Aufmerksamkeit der Forschung auf sich.

Bakterien selektiv bekämpfen

Mit einer Impfstoff/Bakterien-Kombi gegen die Antibiotikakrise

Ein Signalstoff mit Potenzial

Clostridium thermocellum ist eine der bekanntesten anaeroben Mikroben, wenn es um den Abbau von Zellulose geht – dem Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwände. Es wandelt Zellulose in Zucker um, die dann zur Herstellung von Biokraftstoffen wie Ethanol verwendet werden können. Ein auffälliges gelbes Pigment (YAS – Yellow Affinity Substance), das von dem Bakterium produziert wird, 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-Knöll-Institut (Leibniz-HKI) und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena ist es nun erstmals gelungen, die molekulare Zusammensetzung von YAS aufzuklären. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass YAS aus mehreren Komponenten besteht, so genannten Celluxanthenen. Mithilfe von spektroskopischen Analysen (NMR, MS) und Isotopenmarkierungsexperimenten bestimmten die Wissenschaftler die Molekülstrukturen der Substanzen. Darüber hinaus identifizierten sie durch gezielte genetische Manipulation das verantwortliche Biosynthese-Gencluster.

Aus dem Waffenarsenal der Mikroben in den Medizinschrank?

Überraschenderweise zeigen die Pigmente eine Wirkung gegen bestimmte Mikroorganismen. Die Celluxanthene haben eine milde antibiotische Aktivität gegen Gram-positive Bakterien – darunter auch klinisch relevante, resistente Erreger. Das Verständnis der genetischen Grundlagen der Biosynthese eröffnet zudem die Möglichkeit, Celluxanthene in Zukunft zu produzieren oder zu verändern. 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 Rätsel. Die Forschenden könnten nun damit beginnen, mögliche ökologische Funktionen zu untersuchen, zu denen auch die antibakterielle Aktivität zur Verteidigung der Nahrungsquelle (Zellulose) gegen Konkurrenten gehört.

Das verborgene Potenzial von anaeroben Bakterien erschließen

Die Entdeckung und Charakterisierung der Celluxanthene schlägt eine Brücke zwischen unserem Verständnis des mikrobiellen Stoffwechsels und praktischen Anwendungen in der Energiebranche – und vielleicht in der medizinischen Forschung der Zukunft. Die Erkenntnisse könnten auch dazu beitragen, die Nutzung von Pflanzenbiomasse zu optimieren.

Die Forschung ist Teil des Projekts Anoxy Gen, für das Christian Hertweck mit einem der angesehenen ERC Advanced Grants des Europäischen Forschungsrats ausgezeichnet wurde. Hertweck ist Abteilungsleiter am Leibniz-HKI und Professor für Naturstoffchemie der Universität Jena. „Anoxy Gen zielt darauf ab, das verborgene Potenzial von anaeroben Bakterien zur Bildung neuer bioaktiver Naturstoffe zu erschließen“, erklärt 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 hauptsächlich für aerobe (sauerstoffabhängige) Mikroben existieren. Ziel ist es, bisher unbekannte Naturstoffe mit medizinischem oder biotechnologischem Wert zu entdecken und nutzbar zu machen. Anoxy Gen verbindet die moderne synthetische Biologie mit der Entdeckung von Wirkstoffen und könnte neue Möglichkeiten für die pharmazeutische Entwicklung eröffnen.

Originalpublikation: Ishida K, Krabbe J, Meisinger PR, Shabuer G, Schieferdecker S, Cyrulies M, Tank C, Barnes E, Paetz C, Hertweck C (2025) Discovery and Biosynthesis of Celluxanthenes, Antibacterial Arylpolyene Alkaloids from Diverse Cellulose-Degrading Anaerobic Bacteria, Angew Chem Int Ed 64 (24); DOI: 10.1002/anie.202503697

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