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Antibiotika-Alternative Vom Geschmacksverstärker zum Bakterien-Gift

Autor / Redakteur: Annika Bingmann* / Christian Lüttmann

Eigentlich ist das Bakterium C. glutamicum ein harmloser natürlicher Produzent des Geschmacksverstärkers Glutamat. Doch nun haben Forscher der Uni Ulm den Mikroben neue Fähigkeiten verliehen: die Synthese antibakterieller Wirkstoffe. Damit eignen sich die Bakterien nun zum Kampf gegen andere Bakterien wie Listerien.

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Fluoreszierende Sensorbakterien, helfen den Forschenden dabei, antimikrobielle Peptide wie Bacteriocine zu detektieren. Die Fluoreszenzmikroskopischen Aufnahmen zeigen einzelne Bakterien. Bei Kontakt mit dem Bacteriocin leuchten die Sensorbakterien im Außenbereich blau-grün.
Fluoreszierende Sensorbakterien, helfen den Forschenden dabei, antimikrobielle Peptide wie Bacteriocine zu detektieren. Die Fluoreszenzmikroskopischen Aufnahmen zeigen einzelne Bakterien. Bei Kontakt mit dem Bacteriocin leuchten die Sensorbakterien im Außenbereich blau-grün.
(Bild: Christian Riedel / Uni Ulm)

Ulm – Bakterienstämme sind gerne unter sich. Um sich unliebsame Nahrungskonkurrenten vom Leib zu halten, produzieren sie antimikrobielle Substanzen, die verhindern sollen, dass sich andere Bakterienstämme in ihrer Umgebung ausbreiten. Diese so genannten Bacteriocine werden heute schon in der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt, um Lebensmittel zu konservieren. Bacteriocine haben aber auch enormes medizinisches Potential. Vor dem Hintergrund zunehmender Antibiotika-Resistenzen gelten sie als vielversprechende Alternativen zur Behandlung von Infektionen, die durch humanpathogene Bakterien ausgelöst werden.

„Für die klinische Anwendung solcher Bacteriocine braucht es neuartige, großtechnische Verfahren, die es möglich machen, die Effizienz der Produktion und die Reinheit des Stoffes massiv zu verbessern“, sagt Prof. Christian Riedel vom Institut für Mikrobiologie und Biotechnologie an der Universität Ulm. Der Mikrobiologe hat in einer Studie gezeigt, wie dies biotechnologisch möglich ist.

Die Verwandlung des Corynebacterium glutamicum

Bisher werden Bacteriocine ausschließlich mit natürlichen Bakterien in aufwändigen Fermentationsprozessen hergestellt, bei denen komplexe und teure Nährmedien verwendet werden. So entstehen bestenfalls halbgereinigte Präparate oder Rohfermente. Für den medizinischen Einsatz – beispielsweise als Antibiotika-Ersatz – müssen die Bacteriocine aus diesen „natürlichen“ Fermentationsverfahren gereinigt werden. Doch das ist teuer und daher wirtschaftlich uninteressant.

Nun ist es Riedel mit seinem Ulmer Team und anderen Fachkollegen aus Deutschland, Norwegen, Dänemark und Österreich gelungen, das Bakterium Corynebacterium glutamicum so zu verändern, dass es ein hochwirksames antimikrobielles Peptid mit der Bezeichnung Pediocin PA-1 in Reinform herstellt. Das als Produktionswirt eingesetzte Bakterium ist ein nicht-pathogenes Bodenbakterium, das seit langem als natürlicher Produzent von Aminosäuren – beispielsweise des Geschmacksverstärkers Glutamat – bekannt ist und das heute eine wichtige Rolle als biotechnologischer Plattformorganismus spielt.

Wirksam gegen Listerien

Doch wie bringt man Bakterien dazu, antimikrobielle Substanzen zu produzieren, die für den Produzenten selbst potenziell toxisch sind? Und wieso hat das von C. glutamicum synthetisierte Pediocin Pa-1 keine schädigende Wirkung auf das Bodenbakterium? In der Natur stellt das Bakterium die Substanzen nicht her. Die Forscher haben es dazu gentechnisch angepasst: Sie haben es mit synthetischen, zielgenau funktionalisierten Genen ausgestattet, die die Produktion des Bacteriocins bewerkstelligen.

(B) Rund um die weißen Kolonien eines Bacteriocin-Produzenten sind deutlich die Hemmhöfe im Rasen der fluoreszenten Sensorbakterien zu sehen. (C) In Abhängigkeit zur Verdünnung (von rechts nach links zunehmend) und der Bacteriocin-Konzentration (von unten nach oben zunehmend) wird das Wachstum der Sensorbakterien gehemmt.
(B) Rund um die weißen Kolonien eines Bacteriocin-Produzenten sind deutlich die Hemmhöfe im Rasen der fluoreszenten Sensorbakterien zu sehen. (C) In Abhängigkeit zur Verdünnung (von rechts nach links zunehmend) und der Bacteriocin-Konzentration (von unten nach oben zunehmend) wird das Wachstum der Sensorbakterien gehemmt.
(Bild: Christian Riedel / Uni Ulm)

Und was die Frage nach der möglichen Selbstschädigung durch das hergestellte Toxin betrifft: hier haben sich die Forscher um Riedel eine biologische Besonderheit der Mikrobe zunutze gemacht, wie Dr. Oliver Goldbeck, Erstautor der Studie, erklärt: „Corynebacterium glutamicum hat keine Rezeptoren, an denen das Bacteriocin andocken kann. Es ist daher resistent gegen dessen antibakterielle Wirkung. Ein Glücksfall für uns.“ Das von C. glutamicum hergestellte Pediocin PA-1 wirkt besonders gut gegen Bakterien der Art Listeria monocytogenes. Diese Bakterien sind in der Umwelt weit verbreitet. Werden sie allerdings über kontaminierte Nahrungsmittel wie Rohkäse aufgenommen, können sie bei Menschen eine gefährliche, mitunter sogar tödlich verlaufende Listeriose auslösen.

Holzabfälle als Bakterien-Futter

Die Grafik veranschaulicht den Ablauf der rekombinanten Produktion von Bacteriocinen mit Corynebacterium glutamicum
Die Grafik veranschaulicht den Ablauf der rekombinanten Produktion von Bacteriocinen mit Corynebacterium glutamicum
(Bild: Christian Riedel / Uni Ulm)

Eine dritte Stoßrichtung des Projektes bestand darin, die zugrundeliegende Fermenter-Technologie billiger und ressourcenschonender zu machen. „Anstatt teurer Nährmedien verwenden wir Abfallstoffe aus der Holzindustrie als Substrate für die Produktion“, sagt Riedel. Dafür haben die Kooperationspartner an der Universität des Saarlandes aus der Arbeitsgruppe von Prof. Christoph Wittmann weitere genetische Veränderungen am bakteriellen Produktionswirt vorgenommen. „Dies macht es für unsere Bakterien möglich, Zucker und organische Säuren aus den Holzabfällen zu verwerten, um daraus schließlich die antimikrobiellen Peptide zu bilden“, sagt der Forscher.

Den Wissenschaftlern ist es also nicht nur gelungen, „nützliche“ Bakterien für sich arbeiten zu lassen, um Wirkstoffe gegen „schädliche“ Bakterien zu gewinnen. Sie haben es zugleich geschafft, ihre anspruchsvollen Nützlinge genügsamer zu machen, um diese in Zukunft preiswerter und umweltfreundlicher ernähren zu können. Außerdem gelang es den Wissenschaftlern, die synthetische Bacteriocin-Produktion vom Labormaßstab auf einen großtechnischen Pilotmaßstab für die Industrieproduktion zu skalieren.

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Zum Projekt

Das Projekt ist Teil des internationalen Forschungsverbundes „iFermenter“, der von der EU als Teil von „Horizon 2020“ mit rund 5,25 Millionen Euro gefördert und von der Norwegian University of Science and Technology koordiniert wird. Im Fokus des Verbundvorhabens steht die Entwicklung einer intelligenten Bioprozesstechnologie, die es möglich macht, antimikrobielle Proteine aus Abfällen der Holzindustrie zu synthetisieren. Die Ziele sind: zuckerhaltige Reststoffströme einer wertschöpfenden Verwertung zuführen und damit zugleich biotechnologische Produktionsprozesse günstiger und ressourcenschonender zu machen. Die Universität Ulm ist mit Teilprojekten in der Höhe von 452.000 Euro an „iFermenter“ beteiligt.

Originalpublikation: Oliver Goldbeck, Dominique N. Desef, Kirill V. Ovchinnikov, Fernando Perez-Garcia, Jens Christmann, Peter Sinner, Peter Crauwels, Dominik Weixler, Peng Cao, Judith Becker, Michael Kohlstedt, Julian Kager, Bernhard J. Eikmanns, Gerd M. Seibold, Christoph Herwig, Christoph Wittmann, Nadav S.Bar, Dzung B.Diep und Christian U. Riedel: Establishing recombinant production of pediocin PA-1 in Corynebacterium glutamicum, Metabolic Engineering. 2021 Sep 4; 68:34-45; DOI: 10.1016/j.ymben.2021.09.002.

* A. Bingmann, Universität Ulm, 89081 Ulm

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