Niedermolekulare Naturstoffe aus Arthropoden
Small Molecules from Arthropods
Wissenschaftsdisziplinen
Biologie (60%); Chemie (20%); Medizinisch-theoretische Wissenschaften, Pharmazie (20%)
Keywords
-
Soil Arthropoda,
Bioactive Compounds,
Small Molecules,
Rule Of Five,
Exocrine Glands
1) Wissenschaftlicher Hintergrund: Gliederfüßer sind Chemiker par excellence: die meisten Arten besitzen exokrine (also nach außen mündende) Drüsen, in denen sie schützende bzw. abschreckende Komponenten gegen diverse Mikroorganismen und Räuber produzieren. Solche Sekrete umfassen eine unglaubliche Vielfalt kleiner fettlöslicher Moleküle, die eine reiche, aber noch größtenteils unerschlossene Quelle für bioaktive Komponenten darstellen. Gerade im Boden der einen feuchten, schmutzigen Lebensraum voll mit Mikroorganismen darstellt existiert eine große Anzahl chemisch-gerüsteter Gliederfüßer, die im Wesentlichen den Gruppen der Hornmilben, Weberknechten, Springschwänzen und Tausendfüßern angehören. Gerade diese Gruppen sind stammesgeschichtlich uralt und haben eine mehrere 100 Millionen Jahre andauernde Evolution hinter sich und dabei hatten sie sprichwörtlich ausreichend Zeit, ihr chemisches Arsenal gegen Bakterien, Pilze und Räuber zu perfektionieren. Christopher Lipinski hat in den 90er-Jahren ein Konzept erstellt, das die Eignung eines Moleküls als Wirkstoff voraussagt (drug-likeliness, rule of five). Interessanterweise sind es demnach kleine, flüchtige, fettlösliche Moleküle, die die strukturellen Anforderungen an biologische Wirkstoffe (wie z.B. Therapeutika) am besten erfüllen. Die flüchtigen, kleinen, fettlöslichen Moleküle von Gliederfüßern im Boden fallen exakt in diese Kategorie. 2) Hypothesen & Ziele: Obwohl es nur wenige Studien zu bioaktiven Komponenten aus bodenlebenden Gliederfüßern gibt, konnten bislang schon außergewöhnliche und aus keiner anderen Quelle bekannte biologische Wirkstoffe gefunden werden. Unsere Hypothese lautet, dass bodenlebende Gliederfüßer die ja ein besonders umfangreiches Drüsen-Inventar besitzen - eine reiche Ressource für neuartige biologische Wirkstoffe darstellen. Ziel dieses Projekts ist es: i) auf Basis des Vorhandenseins bestimmter exokriner Drüsen vielversprechende Arten von bodenlebenden Gliederfüßern zu erkennen und deren Sekrete zu untersuchen, inklusive der vollständigen chemischen Aufklärung aller Sekretkomponenten; ii) relevante Sekretkomponenten in Biotests auf ihre biologische Wirksamkeit zu überprüfen. 3) Wissenschaftliches Neuland: Das hier vorgestellte Projekt soll erstmals ein repräsentatives Bild zur Bioaktivität von Molekülen aus exokrinen Sekreten von bodenlebenden Gliederfüßern, einer bislang unerforschten Quelle für bioaktive Komponenten, aufzeigen. 4) Methoden: i) Aufsammlung ausgesuchter Arten aller großen Gruppen von bodenlebenden Gliederfüßern in Österreich und umliegenden Ländern, insbesondere am Balkan. Diese Aufsammlungen werden durch ein einzigartiges Netzwerk an Spezialisten für die einzelnen Bodentiergruppen ermöglicht. ii) Extraktion und chemische Analyse der Sekrete mit modernen massenspektrometrischen und kernresonanzspektroskopischen Methoden. iii) Bestimmung der Bioaktivität der gefundenen Komponenten gegen unterschiedliche Mikroorganismen wie auch Untersuchungen von zellulären Antworten in Zellkulturen. 5) Beteiligte Wissenschaftler: Günther Raspotnig (Zoologie, Chemische Ökologie), Hans-Jörg Leis (Chemie, Medizin, Pharmakologie), Slobodan Makarov (Chemische Ökologie, Bioaktivitäts-Studien)
Exokrine Drüsen bodenbewohnender Arthropoden stellen stammesgeschichtlich alte Organsysteme dar, in denen sich über mehrere hundert Millionen Jahre bioaktive Naturstoffe entwickeln konnten. Diese niedermolekularen Verbindungen sind an die Abwehr von Prädatoren sowie den Schutz vor Mikroorganismen im mikrobiell stark belasteten Bodenmilieu angepasst und stellen eine bislang unerschlossene potenzielle Quelle neuartiger Antibiotika und biopharmazeutisch relevanter Wirkstoffe dar. Das vorliegende Projekt konzentrierte sich auf kleine exokrine Moleküle aus Arthropoden ("small molecules from arthropods", SMARTs), die bislang nur unzureichend charakterisiert waren. Auf Basis des sogenannten "phylogenetic prospectings" identifizierten wir vielversprechende Taxa chemisch gut geschützter bodenbewohnender Arthropoden innerhalb bestimmter Linien der Tausendfüßer (vor allem Colobognatha), Weberknechte (Insidiatores, Cyphophthalmi, troguloide Dyspnoi, sclerosomatide Eupnoi) sowie Milben (Oribatida). Diese Gruppen besitzen große, sackartige, exokrine Drüsen, die innerhalb der jeweiligen Taxa homologe Systeme darstellen. Wir gehen davon aus, dass das Vorhandensein alter homologer Drüsensysteme die Evolution einer hohen Diversität bioaktiver Verbindungen begünstigt. Die größte Vielfalt an potenziell bioaktiven Komponenten fand sich in den Öldrüsen der Oribatida, den prosomalen Wehrdrüsen der Opiliones sowie den seriellen Wehrdrüsen der Diplopoda. Insgesamt wurden mehr als 100 Verbindungen chemisch charakterisiert. Die meisten dieser Substanzen erfüllen "Lipinski's rule of five" und weisen damit auch im bio-pharmazeutischen Sinn Potential auf. Die Verbindungen wurden in Datenbanken erfasst, darunter eine Datenbank zu exokrinen Verbindungen der Weberknechte, eine weitere zu Öldrüsenverbindungen der Oribatida. Diese beiden Datenbanken stellen die derzeit vollständigsten verfügbaren Referenzwerke zur exokrinen Chemie der jeweiligen Gruppen dar und umfassen analytische Daten, taxonomische Verbreitung sowie bekannte biologische Funktionen aller bei diesen Gruppen nachgewiesenen Substanzen. Weiters wurde nach wiederkehrenden, charakteristischen chemischen Motiven in den detektierten Substanzen gesucht und vor allem stickstoffhaltige (Colobognatha, Oribatida), spirocyclische (Colobognatha), aromatische (Opiliones, Oribatida), Ethylketo-Strukturen (Opiliones) und terpenoide Strukturen gefunden (Oribatida). Zahlreiche ungewöhnliche Verbindungen erwiesen sich als neu für die Wissenschaft. Hervorzuheben sind spirocyclische Verbindungen aus colobognathen Tausendfüßern sowie die "Hermannielline", eine neuartige Klasse von Öldrüsenverbindungen bestimmter Oribatida (brachypyline Hermanniellidae), die sich durch mehrere Ringsysteme, hohe strukturelle Komplexität mit mehreren Stereozentren und Vorkommen in artspezifischen Mustern auszeichnen. Eine Reihe von Verbindungen zeigte vielversprechende antibakterielle Wirkungen gegen ein breites Spektrum von Bakterien. Insbesondere stickstoffhaltige Verbindungen scheinen Neurotoxizität aufzuweisen und wirken möglicherweise als Modulatoren von Rezeptoren des Nervensystems. Generell spielte die Stereochemie der Stoffe eine wesentliche Rolle, und unterschiedliche Isomere variierten in ihrer biologischen Aktivität. Wissenschaftliches Neuland: Im vorliegenden Projekt wurden bestimmte exokrine Drüsen bodenlebender Arthropoden als eine vielversprechende, aber bislang ungenutzte Quelle bioaktiver Naturstoffe identifiziert. Durch die Verknüpfung von Phylogenie mit Sekretchemie und anschließenden Bioaktivitäts-Tests wurde ein konzeptioneller Rahmen für eine gezielte Naturstoffsuche etabliert und das Potenzial exokriner Naturstoffe bestimmter Arthropoden für die zukünftige biopharmazeutische Forschung aufgezeigt. Publikationen: Aus dem FWF-Projekt gingen acht begutachtete Publikationen in internationalen Fachzeitschriften hervor, ergänzt durch drei Konferenzbeiträge. Sechs weitere Manuskripte befinden sich derzeit im Druck, im Begutachtungsverfahren oder in Vorbereitung.
- Universität Graz - 100%
- Günter Fauler, assoziierte:r Forschungspartner:in
- Hans Jörg Leis, assoziierte:r Forschungspartner:in
- Olaf Kunert, Universität Graz , nationale:r Kooperationspartner:in
- Maja Ignjatov, Institute of Field and Vegetable Crops - Serbien
- Bojan Ilic, University of Belgrade - Serbien
- Dragan Antic, University of Belgrade - Serbien
- Luka Lucic, University of Belgrade - Serbien
- Slobodan E. Makarov, University of Belgrade - Serbien
- Sofija Pavkovic Lucic, University of Belgrade - Serbien
- Niko Radulovic, University of Nis - Serbien
- Ivo Karaman, University of Novi Sad - Serbien
- Maja Karaman, University of Novi Sad - Serbien
Research Output
- 6 Zitationen
- 9 Publikationen
- 1 Policies
- 1 Methoden & Materialien
- 6 Wissenschaftliche Auszeichnungen
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2025
Titel Scenting Ketones in the Defense Glands of Two Julids From the Caucasus (Arthropoda, Myriapoda, Diplopoda, Julida). DOI 10.1007/s10886-025-01603-4 Typ Journal Article Autor Makarov Se Journal Journal of chemical ecology Seiten 50 -
2024
Titel Simple protocol for combined extraction of exocrine secretions and RNA in small arthropods DOI 10.1093/biomethods/bpae054 Typ Journal Article Autor Bodner M Journal Biology Methods and Protocols -
2024
Titel Simple protocol for combined extraction of exocrine secretion and RNA in small arthropods v1 DOI 10.17504/protocols.io.n92ld8mb7v5b/v1 Typ Preprint Autor Fröhlich D -
2024
Titel Alkaloid chemistry in pill-millipedes: Defensive secretion in two species of Typhloglomeris Verhoeff, 1898 (Diplopoda, Glomerida, Glomeridellidae) DOI 10.1007/s00049-024-00400-x Typ Journal Article Autor Antić D Journal Chemoecology -
2023
Titel After chemo-metamorphosis: p-menthane monoterpenoids characterize the oil gland secretion of adults of the oribatid mite, Nothrus palustris. DOI 10.1007/s00049-023-00386-y Typ Journal Article Autor Bodner M Journal Chemoecology Seiten 71-82 -
2023
Titel Alkaloids from millipedes: a re-evaluation of defensive exudates from Polyzonium germanicum DOI 10.3389/fevo.2023.1212452 Typ Journal Article Autor Kunert O Journal Frontiers in Ecology and Evolution -
2022
Titel The scent gland chemistry of Gagrellinae (Opiliones, Sclerosomatidae): evidence for sequestration of myrmicacin in a species of Prionostemma DOI 10.1007/s00049-022-00373-9 Typ Journal Article Autor Raspotnig G Journal Chemoecology Seiten 139-146 Link Publikation -
2022
Titel Polymorphic scent gland secretions in Nelima harvestmen: “Sclerosomatid compounds” but different chemical lineages DOI 10.3389/fevo.2022.993368 Typ Journal Article Autor Raspotnig G Journal Frontiers in Ecology and Evolution Seiten 993368 Link Publikation -
2022
Titel Two new species of the genus Siro Latreille, 1796 (Opiliones, Cyphophthalmi, Sironidae) in the European fauna DOI 10.5852/ejt.2022.834.1893 Typ Journal Article Autor Karaman I Journal European Journal of Taxonomy Seiten 1–21-1–21 Link Publikation
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2024
Link
Titel combined extraction of RNA and exocrine secretions from small arthropods DOI 10.1093/biomethods/bpae054 Typ Biological samples Öffentlich zugänglich Link Link
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2025
Titel Chief editor of "Chemoecology" Typ Appointed as the editor/advisor to a journal or book series Bekanntheitsgrad Continental/International -
2025
Titel The puzzling chemistry of millipedes: current challenges in compound identification Typ Personally asked as a key note speaker to a conference DOI 10.5281/zenodo.16811331 Bekanntheitsgrad Continental/International -
2024
Titel Chief editor of "Chemoecology" Typ Appointed as the editor/advisor to a journal or book series Bekanntheitsgrad Continental/International -
2023
Titel Chief editor of "Chemoecology" Typ Appointed as the editor/advisor to a journal or book series Bekanntheitsgrad Continental/International -
2022
Titel Chief editor of "Chemoecology" Typ Appointed as the editor/advisor to a journal or book series Bekanntheitsgrad Continental/International -
2021
Titel Chief editor of "Chemoecology" Typ Appointed as the editor/advisor to a journal or book series Bekanntheitsgrad Continental/International