Eröff­nung neu­er Natur­stoff­klas­se für Anwen­dun­gen in Medi­zin und Landwirtschaft

Erst­mals ist es den For­schen­den der Arbeits­grup­pen um Prof. Tobi­as Gul­der von der TU Dres­den und Prof. Tan­ja Gul­der von der Uni­ver­si­tät Leip­zig gelun­gen, die bio­syn­the­ti­schen Mecha­nis­men zur Her­stel­lung des Natur­stoffs Cya­no­bac­te­rin, der von der Blau­al­ge Scy­to­n­e­ma hof­man­ni in der Natur in klei­nen Men­gen pro­du­ziert wird, auf­zu­klä­ren. Dabei ent­deck­ten sie außer­dem eine neue Klas­se von Enzy­men zum Auf­bau von Koh­len­stoff-Koh­len­stoff-Bin­dun­gen. Damit erwei­tern die (Bio-)Chemiker:innen das der­zeit aus der Natur bekann­te bio­ka­ta­ly­ti­sche Reper­toire signi­fi­kant und eröff­nen neue, nach­hal­ti­ge­re bio­tech­no­lo­gi­sche Anwen­dungs­po­ten­tia­le in Medi­zin und Land­wirt­schaft. Die Ergeb­nis­se der Zusam­men­ar­beit wur­den jetzt im renom­mier­ten Fach­jour­nal „Natu­re Che­mi­cal Bio­lo­gy“ veröffentlicht.
Dass die Natur eine aus­ge­zeich­ne­te Che­mi­ke­rin ist, zeigt sich an der Fül­le an Mole­kü­len, den soge­nann­ten Natur­stof­fen, die sie bio­syn­the­tisch her­stellt. Die­se Natur­stof­fe sind auch für uns Men­schen von zen­tra­ler Bedeu­tung. So fin­den sie viel­fäl­ti­gen Ein­satz in unse­rem All­tag, vor allem als Wirk­stof­fe in der Medi­zin und Land­wirt­schaft. Pro­mi­nen­te Bei­spie­le dafür sind Anti­bio­ti­ka wie die aus Schim­mel­pil­zen iso­lier­ten Peni­ci­li­ne, das Krebs­me­di­ka­ment Tax­ol aus der pazi­fi­schen Eibe, sowie die gegen Schäd­lings­be­fall ein­ge­setz­ten Pyreth­ri­ne, die in Chry­san­the­men vorkommen.
Zur Ent­wick­lung und Her­stel­lung von Medi­ka­men­ten auf Basis von Natur­stof­fen ist das Wis­sen um den Bau­kas­ten der Natur essen­ti­ell. In die­sem Zusam­men­hang unter­such­ten For­schen­de der Arbeits­grup­pen um Prof. Tobi­as Gul­der (TU Dres­den) und Prof. Tan­ja Gul­der (Uni­ver­si­tät Leip­zig) gemein­sam die Bio­syn­the­se des für pho­to­syn­the­ti­sche Orga­nis­men hoch gif­ti­gen Cya­no­bac­terins, wel­ches in der Natur von der Blau­al­ge Scy­to­n­e­ma hof­man­ni in klei­nen Men­gen pro­du­ziert wird. In ihrer Arbeit konn­ten die Chemiker:innen nicht nur die Bil­dung des Natur­stof­fes erst­mals auf­klä­ren, son­dern ent­deck­ten zudem eine neu­ar­ti­ge enzy­ma­ti­sche Trans­for­ma­ti­on zum Auf­bau von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen.
Mög­lich wur­de die­se Arbeit durch die Kom­bi­na­ti­on moder­ner Werk­zeu­ge der Bio­in­for­ma­tik, syn­the­ti­schen Bio­lo­gie, Enzy­mo­lo­gie und (bio)chemischen Ana­ly­tik. Im Mit­tel­punkt stand dabei die Fra­ge, wie der zen­tra­le Teil des Cya­no­bak­te­rin-Koh­len­stoff­ge­rüs­tes her­ge­stellt wird. Die mut­maß­li­chen Gene dafür wur­den zunächst durch die Metho­de des „Direct Pathway Cloning“ (DiPaC) klo­niert und im Modell­orga­nis­mus E. coli als Zell­fa­brik akti­viert. DiPaC ist eine neue Metho­de der syn­the­ti­schen Bio­lo­gie, die zuvor im Labor von Tobi­as Gul­der, Pro­fes­sor für Tech­ni­sche Bio­che­mie an der TU Dres­den ent­wi­ckelt wurde.
„DiPaC erlaubt es uns sehr schnell und ziel­ge­rich­tet gan­ze Natur­stoff­bio­syn­the­se­we­ge in rekom­bi­nan­te Wirts­sys­te­me zu über­füh­ren“, erläu­tert Gul­der. Im nächs­ten Schritt ana­ly­sier­te das For­scher­team die essen­ti­el­len Ein­zel­schrit­te der Cya­no­bac­te­rin-Bio­syn­the­se, in dem sie zusätz­lich alle Schlüs­sel­en­zy­me im Wirts­or­ga­nis­mus E.coli pro­du­zier­ten, die­se iso­lier­ten und dann die Funk­ti­on jedes Enzyms unter­such­ten. Dabei stie­ßen sie auf eine bis dato unbe­kann­te Klas­se von Enzy­men, die soge­nann­ten Fura­no­lid-Syn­tha­sen. Die­se sind in der Lage, die Knüp­fung von unge­wöhn­li­chen Koh­len­stoff-Koh­len­stoff-Bin­dun­gen zu kata­ly­sie­ren. In den wei­te­ren Unter­su­chun­gen die­ser Fura­no­lid-Syn­tha­sen erwie­sen sich die­se Enzy­me als hoch­ef­fi­zi­en­te in-vitro Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren, wodurch sie für bio­tech­no­lo­gi­sche Anwen­dun­gen hoch inter­es­sant sind.

„Mit den Fura­no­lid-Syn­tha­sen haben wir ein mole­ku­la­res Werk­zeug erhal­ten, wel­ches es uns erlaubt, zukünf­tig umwelt­freund­li­che­re Metho­den für die Her­stel­lung von Wirk­stof­fen zu ent­wi­ckeln und damit unse­ren Bei­trag für eine nach­hal­ti­ge­re Che­mie zu leisten.“
— Prof. Tan­ja Gul­der vom Insti­tut für Orga­ni­sche Che­mie an der Uni­ver­si­tät Leipzig

Als nächs­tes wol­len die bei­den For­scher­teams gezielt nach die­sen neu­ar­ti­gen Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren auch in ande­ren Orga­nis­men suchen und somit neue bio­ak­ti­ve Mit­glie­der die­ser Natur­stoff­klas­se fin­den sowie eine bio­tech­no­lo­gi­sche Her­stel­lung und struk­tu­rel­le Diver­si­fi­zie­rung des Cya­no­bac­terins ent­wi­ckeln. „Unse­re Arbeit ebnet den Weg für die umfas­sen­de Ent­wick­lung einer span­nen­den Natur­stoff­klas­se für Anwen­dun­gen in Medi­zin und Land­wirt­schaft“, stim­men die bei­den Wis­sen­schaft­ler überein.