Niedermolekulare Naturstoffe aus Arthropoden

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.