Abwasser als Quelle für neue Biomoleküle

Bakterien sind Überlebenskünstler. Sie passen sich an eine beispiellose Vielfalt von Lebensräumen an, die von den Eiswüsten der Antarktis bis zu den extrem heißen Tiefseevulkanen reichen. Die jeweilige Umgebung spiegelt sich denn auch in der biologischen Ausstattung der Mikroorganismen wider: Darmbakterien von Termiten bilden Essigsäure, die bei der Verdauung von Holz unerlässlich ist, Meeresschwämme leben in Symbiose mit Bakterien, deren Wirkstoffe sie gegen Fressfeinde verteidigen. “Je nach Umweltbedingungen finden sich jeweils spezialisierte Bakterienpopulationen”, erklärt Karl-Erich Jaeger vom Institut für Molekulare Enzymtechnologie (IMET) der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, das im Forschungszentrum Jülich angesiedelt ist.
“Um neue und hochspezialisierte Wirkstoffe aus Bakterien zu finden, erhöht sich die Aussicht auf Erfolg, wenn man den Ort der Probenahme entsprechend wählt”, ergänzt er. Auf der Suche nach Bakterien, die in der Lage sind, Fette und Proteine abzubauen, suchte Jaegers Team an einem wenig appetitlichen – dafür aber sehr erfolgversprechenden Ort: am Abwasserrohr eines Schlachthofs.
Statt einzelne Bakterienkulturen anzulegen, isolierten die Forscher die gesamte DNA – das sogenannte Metagenom – der Probe. Der Grund: 99 % aller Mikroorganismen lassen sich nicht unter Laborbedingungen kultivieren. Um dennoch potenzielle Wirkstoffe finden und produzieren zu können, greifen die Wissenschaftler zu einem Trick. Sie nutzen sowohl bei der Suche als auch zur Produktion ein Arbeitspferd der Mikrobiologie: Escherichia coli. Dieses Bakterium lässt sich im Labor sehr gut vermehren und produziert im Idealfall Stoffe, die vom eingeschleusten Erbmaterial der fremden Organismen stammen. Im ersten Schritt legten die Forscher eine Metagenom-Bibliothek aus ihrer Umwelt-Probe an. Hierbei werden verschiedene kurze Abschnitte des DNA-Konglomerats aus der Abwasser-Probe in E. coli Bakterien übertragen. So entsteht eine riesengroße Sammlung von E. coli-Zellen, die jeweils unterschiedliche Abschnitte des Metagenoms beherbergen.
“Wie erwartet, haben wir dabei zahlreiche Enzyme gefunden, die Fette und Proteine abbauen”, berichtet Jaeger. „Darüber hinaus hatten wir aber auch das Glück, erstmalig auf diesem Weg ein Bio-Tensid zu finden“, freut er sich. Solche Substanzen können sehr weitreichende Anwendungen haben“, betont der Wissenschaftler, „beispielsweise für die Beseitigung von Umweltverschmutzungen, als Waschmittelzusatz oder eben als antibiotisch wirksame Stoffe.“ Im Gegensatz zu Tensiden chemischen Ursprungs gehen die Forscher davon aus, dass die biologisch gewonnenen Wirkstoffe auch komplett biologisch abbaubar sind.
Zunächst war den Wissenschaftlern aufgefallen, dass eine Bakterienkultur offensichtlich in der Lage war, Membranen von Blutzellen aufzulösen. „Dies hätte auch der Hinweis auf ein hämolytisches Enzym sein können“, gibt Jaeger zu bedenken. Weitere Analysen zeigten jedoch, dass der gefundene Wirkstoff Tensid-Eigenschaften hat. Er verfügt also zugleich über wasserabweisende und wasseranziehende Komponenten und ist damit in der Lage, zum Beispiel Emulsionen zu bilden oder Membranen auflösen. „So erklärt sich auch die antibiotische Wirkung der Verbindung gegenüber verschiedenen Bakterienarten, die wir im Anschluss nachweisen konnten“, fügt Jaeger an. Die jetzt veröffentlichten Ergebnisse können langfristig dazu beizutragen, neue Technologien für die chemische und die Lebensmittel-Industrie zu erschließen.
Originalveröffentlichung: Stephan Thies, Sonja Christina Rausch, Filip Kovacic, Alexandra Schmidt-Thaler, Susanne Wilhelm, Frank Rosenau, Rolf Daniel, Wolfgang Streit, Jörg Pietruszka, Karl-Erich Jaeger: Metagenomic discovery of novel enzymes and biosurfactants in a slaughterhouse biofilm microbial community. Scientific Reports 6, 27035, DOI: 10.1038/srep27035