Schwämme, nicht nur ihre Mikroben, stellen biologisch wirksame Verbindungen her

Weich und unbeweglich mögen Meeresschwämme träge erscheinen, aber diese einfachen Tiere sind reich an Chemie. Aus ihnen haben Wissenschaftler viele biologisch aktive Verbindungen entdeckt, von denen einige zu Medikamenten wurden. Alle diese kleinen Moleküle stammen jedoch tatsächlich von Bakterien, die in diesen Tieren leben. Jetzt haben neue Forschungen eine Ausnahme aufgedeckt. Heute berichten Wissenschaftler, dass Schwämme selbst, nicht ihre ansässigen Mikroben, mindestens eine vielversprechende Gruppe von Verbindungen produzieren.

Die Forscher stellen ihre Ergebnisse heute auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vor.

Bei den fraglichen Molekülen handelt es sich um eine Art Terpen, Verbindungen, die in der Natur weit verbreitet sind und oft charakteristische Aromen haben. Die Entdeckung, dass Schwämme sie selbst herstellen, stellt eine „grundlegende Veränderung“ auf diesem Gebiet dar, sagt Bradley Moore, Ph.D., Hauptforscher der Studie.

„Wenn dieses Tier dieses verrückte kleine Terpen produziert, was produzieren Tiere dann noch?“ Moore sagt. „Ich denke, dies öffnet die Tür zu einer neuen Betonung von Tieren als Gefäße für die Wirkstoffforschung.“

Die Schwämme für dieses Projekt müssen nicht weit reisen. Das Moore-Labor befindet sich an der Scripps Institution of Oceanography an der University of California, San Diego, in einem Gebäude am Ufer von La Jolla. Diese Nähe bedeutet, dass zerbrechliche Exemplare weniger Zeit auf dem Transport verbringen, und die Forscher können sie in Tanks unterbringen, die mit ihrem heimischen Meerwasser gefüllt sind.

Forscher haben lange nach potenziell wertvollen Chemikalien aus natürlichen Quellen gesucht, von denen viele zu Arzneimitteln weiterentwickelt wurden, darunter Antibiotika, Virostatika und Krebstherapien. Als Wissenschaftler damit begannen, potenzielle Medikamente aus Schwämmen zu isolieren, gingen sie davon aus, dass die Tiere diese Verbindungen selbst herstellen. Die DNA-Sequenzierungstechnologie hat jedoch schließlich gezeigt, dass Schwämme wie Menschen ihren Körper mit Legionen von Mikroben teilen und dass diese einzelligen Kreaturen die talentierten Chemiker sind. Bakterien sind seitdem zu einem Hauptfokus für Wissenschaftler geworden, die nach potenten natürlichen Verbindungen suchen.

Eine genetische Analyse, die von Kayla Wilson, einer Ph.D. Student in Moores Labor, schlägt vor, dass Schwämme, wie ihre mikrobiellen Bewohner, biologisch aktive Moleküle herstellen können, die auch für Menschen nützlich sein könnten.

Die von ihr untersuchten Terpene aus Schwämmen sind einzigartig im Vergleich zu denen anderer Organismen, da sie Stickstoff enthalten. Sie erscheinen auch aus Sicht der Arzneimittelentdeckung vielversprechend: Studien haben seitdem gezeigt, dass einige bescheidene Malaria-bekämpfende Eigenschaften haben.

Obwohl diese Verbindungen bereits gut bekannt waren, hatte niemand die für ihre Herstellung verantwortlichen genetischen Sequenzen untersucht, ein Unterfangen, das den verantwortlichen Organismus lokalisieren konnte. Um diese biologischen Anweisungen zu finden und zu sehen, zu welcher sie gehörten, sammelte Wilson den örtlichen Terpen-bildenden Schwamm Axinella– ein toter Wecker, sagt sie, für das chinesische Restaurantgericht Orange Chicken.

In der Suppe aus mikrobieller und Schwamm-DNA, die aus dem Schwamm gezogen wurde, suchte sie nach Sequenzen, die Anweisungen für die Terpen-Synthase kodieren, ein Enzym, das für einen entscheidenden Schritt bei der Herstellung von Terpenen verantwortlich ist. Mit Hilfe eines anderen Labormitarbeiters, der dasselbe Enzym in Korallen untersucht hatte, identifizierte sie diese Gene. Als sie sie gefunden hatte, war klar, zu welchem ​​Organismus sie gehörten. „Als wir uns die umgebende DNA dieser Terpensynthase ansahen, stellten wir fest, dass es viele Merkmale gab, die darauf hindeuteten, dass diese Gene vom Schwammtier selbst stammen“, sagt sie.

Weitere Arbeiten im Labor von Postdoktorand Vikram Shende, Ph.D., konzentrieren sich auf die Entdeckung brandneuer Verbindungen aus den lokalen Schwämmen von San Diegan.

Er und zwei der Studenten des Labors, Vivian Lin und Samantha Hanauer, extrahierten Verbindungen aus 13 Arten lokaler Schwämme, die sie in Aquarien kultivieren. Durch Testen der Schwammextrakte auf biologische Aktivität hat das Team bromhaltige Peptide identifiziert Cliona Schwämme, die in Experimenten das Wachstum von Bakterien hemmten. Die Forscher arbeiten derzeit daran, die molekulare Struktur dieser Peptide sowie die Art und Weise, wie sie die Bakterien hemmen, zu bestimmen – Informationen, die helfen werden, festzustellen, ob die Verbindungen ein Potenzial für den Einsatz als Antibiotika haben. Es ist noch nicht klar, ob diese Moleküle von den Schwämmen oder ihren ansässigen Bakterien hergestellt werden.

„Das ist die Millionen-Dollar-Frage, die wir beantworten wollen“, sagt Shende, die bei dem Treffen Forschungsergebnisse aus dem Labor präsentieren wird. „Die Bestimmung des genetischen Ursprungs dieser Moleküle wird uns hoffentlich einen Einblick in ihren Zweck in ihrer natürlichen Umgebung geben.“