Stress-induzierte Antibiotika-Bildung in Bakterien

Bakterien der Gattung Streptomyces produzieren eine Vielzahl an biologisch aktiven Naturstoffen (Sekundärmetaboliten), von denen einige als Antibiotika, Krebstherapeutika und Immunsuppressiva in der Humanmedizin Einsatz finden. Unter Laborbedingungen erzeugen diese Bakterien üblicherweise 3-5 verschiedene derartige Substanzen. Wie jedoch kürzlich mittels Genomsequenzierung gezeigt werden konnte, ist die tatsächliche Kapazität für die Biosynthese unterschiedlicher Naturstoffe deutlich höher, allerdings bleiben viele Gene, die für die Biosynthese von Sekundärmetaboliten verantwortlich sind, still. Es ist bekannt, dass Stressbedingungen einige dieser stillen Gene aktivieren können und somit bisher unbekannte Substanzen produziert werden. Die molekularen Mechanismen hinter diesem Phänomen sind jedoch unzureichend untersucht und verstanden. In dem vorgeschlagenen Projekt StrepStress beabsichtigen wir, das regulatorische Netzwerk, das für die Aktivierung der Antibiotika-Biosynthese als Antwort auf Umgebungsstress im Modellorganismus Streptomyces venezuelae verantwortlich ist, zu identifizieren und zu charakterisieren. S. venezuelae beherbergt stille Gene für die Biosynthese des Antibiotikums Jadomycin (Jad), die unter Standard-Laborbedingungen nicht exprimiert werden. Jedoch kann die Jad Biosynthese durch die Zugabe von 6% Ethanol (EtOH) zum Nährmedium induziert werden, wenn diese innerhalb der ersten 6-17 Stunden der Kultivierung erfolgt. Es ist zurzeit weder bekannt, welche Art von intrazellulären Signalen durch den EtOH Schock generiert werden, noch wie diese Signale bis zur Aktivierung der Jad Biosynthese weitergeleitet werden. Um diese Signalkaskade zu erforschen, werden wir state-of-the-art Technologien - wie Transcriptomics, Metabolomics und Phenotypic Arrays - einsetzen. Aus den gewonnen Daten wird ein Modell der stressinduzierten Signalübertragung, die zur Aktivierung der Biosynthese von Antibiotika führt, entwickelt. Dieses Modell werden wir dann durch Konstruktion und Austestung rekombinanter Bakterien, in denen wir dieses regulatorische Netzwerk gezielt manipuliert haben, verifizieren. Das Projekt StrepStress wird wichtige neue Erkenntnisse über die globale Regulation von Sekundärmetaboliten in Bakterien bringen, und somit den Weg zur Entdeckung neuer Antibiotika ebnen.

Das StrepStress-Projekt wurde entwickelt, um Details jenes regulatorischen Netzwerks zu untersuchen, welches die Produktion von Antibiotika und anderen bioaktiven Naturstoffen von medizinischer Bedeutung in Bakterien steuert. Insbesondere interessierte uns, wie sich die Umweltfaktoren auf die Produktion dieser Naturstoffe auswirken. Viele Bakterien haben ein verborgenes genetisches Potenzial für die Antibiotikaproduktion, das im Labor oft nicht erkannt wird. Dadurch wird die Entdeckung neuer bioaktiver Naturstoffe verhindert, und viele potenziell nützliche Arzneistoffe können von Forschern übersehen werden. Die generelle Zielsetzung bestand darin, entscheidende bakterielle Gene aufzudecken, die am Prozess der Aktivierung der Antibiotikaproduktion beteiligt sind und manipuliert werden können, um die Ausbeute bestimmter Antibiotika zu erhöhen und so die industriellen Prozesse nachhaltiger und rentabler zu machen. Dieses Ziel wurde mit den fortschrittlichsten interdisziplinären Ansätzen angegangen, welche globale Analysen der Genexpression in antibiotikaproduzierenden Bakterien umfassten, die Umweltstress ausgesetzt waren. Das Muster der Genexpression wurde dann mit der Analyse der Produktion von Antibiotika und anderen Naturstoffen korreliert. Nach sorgfältiger Analyse und Korrelation der erhaltenen Megadaten setzten wir gentechnische Methoden ein, um drei Gene zu manipulieren, die als die wichtigsten Mitglieder des regulatorischen Netzwerks im Zusammenhang mit der Biosynthese von Antibiotika identifiziert wurden. Es wurde gezeigt, dass gentechnisch veränderte Stämme stark erhöhte Mengen an Naturprodukten produzieren. Einige, zum Beispiel das Antibiotikum Chloramphenicol, wurden etwa 1700-fach überproduziert. Interessanterweise hatte jedes der manipulierten Gene eine spezifische Wirkung auf die Produktion eines oder mehrerer Naturstoffe, was zeigt, dass wir die Produktion von Zielverbindungen gezielt steigern können. Da die von uns manipulierten Gene in vielen antibiotikaproduzierenden Bakterien konserviert sind, glauben wir, dass unsere Entdeckung angewendet werden kann, um die industrielle Produktion von medizinisch wichtigen Antibiotika und Krebsmedikamenten erheblich zu verbessern. Angesichts der drohenden Antibiotikaresistenzkrise glauben wir, dass unsere Ergebnisse zur Lösung von Problemen bei der Entdeckung neuer Antibiotika beitragen können.