Dass sich Bakterien der Gattungen Pseudomonas und Paenibacillus zusammentun, um sich vor einer Amäbe zu schützen, die ihr Fressfeind ist, zeigte Pierre Stallforth, Professor für Bioorganische Chemie und Paläobiotechnologie der Universität Jena, mit seinem Team vom Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie (Leibniz-HKI) im Jahr 2021. Nun konnten die Forschenden gemeinsam mit den Teams von Ute Hellmich und Markus Lakemeyer an der Universität Jena zeigen, wie dieser Verteidigungsmechanismus genau aussieht. Die Studie wurde im Exzellenzcluster »Balance of the Microverse« der Universität Jena durchgeführt und ist im »Journal of the American Chemical Society« erschienen.
Analyse auf molekularer Ebene
Die Kooperation der beiden Bakterien Pseudomonas sp. SZ40 und Paenibacillus sp. SZ31 beruht auf einem Naturstoff namens Syringafactin, das zur Klasse der Lipopeptide gehört. Es wird von Pseudomonas produziert, jedoch erst durch eine von Paenibacillus verursachte Veränderung für die Amöbe gefährlich. Paenibacillus spaltet das Lipopeptid an einer ungewöhnlichen Stelle mittels zweier besonderer Enzyme, sogenannten DL-Peptidasen. Dabei entsteht aus dem Syringafactin ein Stoff, der für die Amöbe giftig ist.
»Für mich war es sehr spannend, den Mechanismus zu verstehen, mit dem die besondere Stoffklasse der DL-Lipopeptide gespalten wird und wie das in der Interaktion von Mikroben nutzbar wird«, berichtet Hellmich. Denn das Besondere an diesen Naturstoffen ist ihre ungewöhnliche Angriffsstelle in der räumlichen Struktur der Lipopeptide.
»Aminosäuren sind in der Natur normalerweise L-konfiguriert und deswegen sind die meisten Enzyme auch darauf spezialisiert, diese Variante zu spalten«, erzählt Stallforth. D- und L-Formen unterscheiden sich in ihrer Symmetrie, sie verhalten sich wie Spiegelbilder zueinander. Ihre Atomzusammensetzung ist dabei gleich. »Das heißt, für viele Analysenmethoden sehen beide Moleküle gleich aus, auch wenn wir natürlich wissen, dass es einen Riesenunterschied macht, ob wir die linke oder die rechte Hand nehmen«, illustriert Hellmich.
Multifunktionale Spielmechanik
Bei dieser Modifikation handele es sich nicht um einen Einzelfall, sondern es scheine ein genereller, wenn auch sehr spezifischer Mechanismus zu sein, so Stallforth. »Diese Enzyme sind so interessant, weil wir mit ihnen auch die Struktur komplexer Naturstoffe aufklären können, indem wir sie ganz selektiv in kleinere Fragmente unterteilen.« ,,Und das erleichtert uns und anderen Gruppen in Zukunft die Analyse neuer Naturstoffe", ergänzt Lakemeyer. Eine große Hilfe für die Entwicklung neuer Naturstoff-basierter Antiinfektiva.
Wunderbare Kooperation
Nicht nur die Bakterien, sondern auch die Forschungsteams arbeiteten ganz organisch zusammen, wie Hellmich schwärmt. »Einzeln hätte niemand von uns diese Fragestellung in dieser Art und Weise bearbeiten können«, beschreibt Hellmich die Situation. »Hier in Jena konnten wir von den kleinen Naturstoffen über Proteinstrukturen in Zellen bis in den Ökologischen Kontext gehen und hatten auch noch eine Anwendung in der Biotechnologie.« Das sei einzigartig. »So etwas wie in Jena habe ich an keinem anderen Standort erlebt«, ergänzt Lakemeyer. »Es macht einfach Spaß, wenn man aus verschiedenen Blickwinkeln auf das gleiche Problem schauen kann und dann auch noch tolle Kollegen hat.«
Die Studie war eine Kooperation des Leibniz-HKI mit den Universitäten Jena und Würzburg. Beteiligte Forschungsverbünde waren der Exzellenzcluster Balance of the Microverse und der Sonderforschungsbereich ChemBioSys, die ebenfalls an der Universität Jena angesiedelt sind.
