Einfach zu grosser Komplexität

Es ist eines der komplexesten bekannten Peptide der Natur: ein als Zellgift wirkendes Nanor?hrchen, das im Pazifik lebende Meeresschw?mme zur Verteidigung gegen andere Lebewesen verwenden. Hergestellt wird es von Bakterien, welche mit den Schw?mmen in Symbiose zusammenleben. Dabei produziert zun?chst die bakterielle Proteinherstellungsmaschinerie ein Vorl?uferpeptid. Bakterielle Enzyme ver?ndern dieses schliesslich an nicht weniger als 49 genau definierten Stellen (siehe Kasten). Diese Ver?nderungen bestimmen die Form und Funktion des Peptid-Nanor?hrchens und erh?hen dessen Stabilit?t.

?Peptide mit so vielen spezifischen chemischen Modifikationen sind in der Natur aussergew?hnlich und selten. Uns ist kein komplexeres Beispiel bekannt?, sagt J?rn Piel, Professor am Institut f¨¹r Mikrobiologie der ETH Z¨¹rich. Ebenso bemerkenswert ist, dass die Bakterien f¨¹r die Modifikationen bloss sieben Enzyme ben?tigen, wie Piel und seine Kollegen herausgefunden haben.

Diese Enzyme waren von genetischen Studien bereits bekannt. Ob sie ausreichen, um alle Modifikationen zu vermitteln, war bisher allerdings umstritten. Piel, sein Postdoc Michael Freeman, heute Professor an der University of Minnesota, und seine weiteren Mitarbeiter machten daher die Probe aufs Exempel: Sie f¨¹gten die Gene dieser Enzyme einzeln in Laborbakterien vom Typ E. coli beziehungsweise Rhizobium ein. So gelang es ihnen in einem mehrstufigen biotechnologischen Ansatz, Peptide mit beinahe allen 49 Ver?nderungen herzustellen. Damit konnten die Forschenden auch beweisen, dass der ?Minimalsatz? von sieben Enzymen ausreicht, um die Ver?nderungen zu vermitteln. Dies berichten sie in der Fachzeitschrift ?Nature Chemistry?.

Potenzieller neuer Krebswirkstoff

Zellgifte wie das untersuchte Schwammbakterien-Peptid sind medizinisch interessant, etwa als potenzielle neue Krebswirkstoffe. Das Peptid als Naturstoff im industriellen Massstab direkt aus den Schwammbakterien zu gewinnen, ist allerdings nicht m?glich. ?Das Bakterium braucht einen bestimmten Schwamm, der nur in Japan vorkommt, als Symbiosepartner. Im Labor kann man es bisher nicht kultivieren?, erkl?rt Piel.

Er und seine Kollegen versuchen daher, die derzeit noch aufw?ndige biotechnologische Herstellung des Schwammbakterien-Molek¨¹ls zu optimieren. Ihr Ziel ist, ein kultivierbares Bakterium zu finden, in dessen Genom sich die Bauanleitungen aller sieben Enzyme gleichzeitig so einbauen lassen, dass man damit das komplexe Molek¨¹l in einem Schritt herstellen kann.

Werkzeug f¨¹r die Biotechnologie

Doch nicht nur das untersuchte Peptid ist f¨¹r die Forschung interessant, sondern auch die sieben Enzyme. Eines davon kann die atomare Struktur der Peptid-Bausteine ¨C der Aminos?uren ¨C in ihr Spiegelbild verkehren. ?Dieses Enzym ?ndert die Konfiguration jeder zweiten Aminos?ure im Peptid. Dadurch wird erst die Voraussetzung geschaffen, dass sich die R?hrchen-Struktur des Peptids ausbilden kann?, sagt ETH-Professor Piel. Aminos?uren mit Spiegelbild-Konfiguration sind in der Natur selten. Das Enzym, das die Struktur?nderung vermittelt, ist daher ein interessantes Werkzeug f¨¹r die synthetische Biologie und die Biotechnologie.

Nicht im Labor kultivierbare Bakterien sind eines von Piels Hauptforschungsgebieten. Nur ein kleiner Teil der in der Natur vorkommenden Bakterien wachsen unter Laborbedingungen und lassen sich daher einfach erforschen. Von den in Schw?mmen lebenden Bakterien lassen sich beispielsweise nur ein Promille bis ein Prozent kultivieren. Von der Erforschung nicht kultivierter Bakterien erhoffen sich Wissenschaftler unter anderem, neuartige Enzyme zu finden, die in der Biotechnologie angewandt werden k?nnen, sowie neue medizinisch relevante Naturstoffe.