Forscher hilft bei der Entwicklung einer neuen Technik zur Erforschung ozeanischer Mikroben

Als kleiner Junge war Alexander Chase, Forscher an der Southern Methodist University (SMU), von der schieren Pflanzenvielfalt in den tropischen Regenwäldern der Erde fasziniert. Er fragte sich, welche neuen Arten es dort draußen gab, die nur darauf warteten, entdeckt zu werden. Aus Neugier sammelt Chase jetzt Proben aus den Ozeanen der Erde. Dabei verwendet er eine neue Technik namens „Small Molecule In Situ Resin Capture“ (SMIRC). Dies könnte der erste Schritt zur Entdeckung von Verbindungen sein, die zu Antibiotika der nächsten Generation führen.

Mikrobielle Naturprodukte stammen von Mikroorganismen (Mikroben) ab und sind für viele der heute unentbehrlichen Medikamente verantwortlich, darunter auch die meisten Antibiotika. Mikroben sind zu klein, um sie ohne Mikroskop zu erkennen, und produzieren im Laufe ihres Lebens eine Vielzahl chemischer Verbindungen, von denen einige für pharmazeutische Anwendungen nützlich sind. Traditionell werden diese Verbindungen mit einem „Mikroben-zuerst“-Ansatz entdeckt, bei dem einzelne Stämme im Labor aus einer in der Natur gesammelten Probe gezüchtet werden.

Obwohl diese Methode effektiv ist, wird es für Forscher immer schwieriger, damit neue chemische „Gerüste“ zu entwickeln, die als Grundlage für den Aufbau chemischer Verbindungen dienen. Chemische Gerüste sind eine wichtige Ressource für die Arzneimittelentdeckung.

„Wenn wir derzeit neue Proben sammeln und Mikroben züchten, entdecken wir Gerüststrukturen, die im Wesentlichen denen sehr ähnlich sind, die wir bereits kennen“, erklärt Chase, Assistenzprofessor am Institut für Geowissenschaften der Roy M. Huffington University.

„In den letzten Jahrzehnten war es wirklich schwierig, mit dem ‚Mikroben-zuerst‘-Ansatz etwas Neues zu finden, da er uns im Wesentlichen auf gleiche oder ähnliche Bakterienstämme und ihre chemischen Verbindungen beschränkt, die nur einen Bruchteil der natürlichen Vielfalt im Ozean darstellen. Hier kommt SMIRC ins Spiel, denn es ermöglicht uns, das Unbekannte zu erforschen.“

A aktuelle Studie im Journal Naturkommunikation von Chase und Forschern an der University of California San Diego und der University of California San Francisco erklärt, wie SMIRC die Sammlung mikrobieller Naturprodukte dort ermöglichte, wo sie in der Wildnis produziert werden, ohne dass sie im Labor gezüchtet werden müssen. Dabei wurde ein absorbierendes Harz namens HP-20 verwendet, das wie ein Schwamm wirkt und die von Mikroben freigesetzten Chemikalien aufnimmt.

Als Test verwendeten die Forscher SMIRC in mit Seegras bedeckten Gebieten in der Nähe von San Diego. Unter den gesammelten Chemikalien fanden sie eine antibiotische Verbindung und auch eine Chemikalie namens Chrysoeriol, eine pflanzliche Chemikalie mit antibakteriellen Eigenschaften. Anschließend wurde eine modifizierte Version von SMIRC verwendet, indem HP-20 mit Agar gemischt wurde, einer Substanz, die das Wachstum von Mikroben fördert. Dieses zweite Experiment deckte Aplysiopsen A auf, was den anhaltenden Erfolg der SMIRC-Technik zur Rückgewinnung von Verbindungen zeigte.

Bei einem dritten Test wurde SMIRC in einem geschützten Meeresschutzgebiet am Cabrillo National Monument eingesetzt. Hier wurden mit der Technik größere Proben gesammelt, die komplexere chemische Mischungen enthielten. Obwohl der Grund, warum der Standort reich an neuartigen Verbindungen ist, derzeit unbekannt ist, spekulieren die Forscher, dass es daran liegen könnte, dass dieses spezielle Gebiet wenig menschlichem Verkehr ausgesetzt ist.

Obwohl sich keine der neuen Verbindungen als Weg zur Entwicklung neuer Antibiotika erwies, weist eine der entdeckten Verbindungen namens Cabrillostatin eine biologische Aktivität auf und wird als möglicher neuer Ansatz in der Krebs- und Herzbehandlung weiterverfolgt.

„Der Ozean ist einer der am wenigsten erforschten Bereiche der Erde, insbesondere die Tiefsee“, sagte Chase. „Es gibt so viel, was wir über marine Mikroorganismen und die Verbindungen, die sie produzieren, nicht verstehen. Aufgrund der Antibiotikaresistenz und anderer gesundheitlicher Probleme hat die Erforschung natürlicher Produkte eine hohe Priorität. Mit SMIRC verfügen wir nun über ein leicht einsetzbares System, das es Forschern ermöglicht, Verbindungen zu untersuchen, die zuvor unerreichbar waren.“