04 Jul 2017

Abwasser als Quelle für neue Biomoleküle

In der Natur existieren zahlreiche Biomoleküle mit besonderen Eigenschaften; auch hochspezialisierte, antibiotisch wirkende und trotzdem bioabbaubare Substanzen sind darunter.

04 Jul 2017

In Biofilmen eines Abwasserrohrs in einem Schlachthof fanden Biologen aus Jülich und Düsseldorf Bakterien, die bislang unbekannte Enzyme und Bio-Tenside herstellen. Die gefundenen Biomoleküle sind in der Lage, Fette und Eiweiße abzubauen und Zellmembranen aufzulösen – und zeigen damit eine antibiotische Wirkung.

Die Resistenz gegen gängige Antibiotika ist ein großes Problem in der Krankenhaushygiene. Gerade Patienten in Kliniken, deren Immunsystem durch eine Operation oder schwere Krankheiten geschwächt ist, werden häufig von multiresistenten Keimen befallen, die dann bei der Ausbreitung in dem Körper der immungeschwächten Patienten leichtes Spiel haben. Tragischerweise sind die Patienten selbst häufig Träger der in die Klinik verschleppten multiresistenten Keime, aber auch Besucher, Krankenhauspersonal oder Reinigungskräfte können, bei fehlenden oder unzureichenden Sicherheitsvorkehrungen (wie z.B. Eingangsschleusen), solche Keime einschleppen.

Spuren von Antibiotika im Trinkwasser führen zu gesundheitsbedrohenden Resistenzeffekten

Eine wesentliche Ursache für die Ausbildung solcher Antibiotika-Resistenzen ist die Tatsache, dass die gängigen Antibiotika immer häufiger in Spuren und kleinsten Mengen in unserem Trinkwasser auftauchen und wir so durch regelmäßigen Wasserkonsum einer Dauerbehandlung mit Antibiotika in geringen Dosen ausgesetzt sind, bei der nur die gegen diese Stoffe hochempfindlichen Bakterienstämme und -arten angegriffen und abgetötet werden, die weniger empfindlichen aber überleben und sich munter vermehren können.

Die Suche nach Alternativen zu den gängigen Antibiotika-Klassen ist daher ein vorrangiges Ziel vieler Forschungsgruppen. Dabei kommt ihnen immer öfter die Natur selbst zur Hilfe. Denn während in den vergangenen Jahren der Fokus in der Antibiotikaentwicklung im Wesentlichen im Bereich der Synthese und Wirkstoffprüfung neuer chemischer Wirkstoffgruppen lag, blicken die Forscher heute verstärkt auf antibiotisch-mikrobiologische Prozesse in der Biosphäre. Denn ein großer Nachteil der synthetisch hergestellten Antibiotika ist eine der Hauptursachen dafür, dass sie sich immer stärker in der Natur und in Grundwasser und Uferfiltraten, den wichtigsten Trinkwassergewinnungsquellen, anreichern: natürlich vorkommende Bakterien und Mikroorganismen, die auch in unseren Kläranlagen in der biologischen Klärungsstufe eingesetzt werden, können solche synthetischen Moleküle in der Regel nicht abbauen,

Schlüssel-Schloss-Prinzip bei Enzymen, Foto: Wikipedia / CCA 3.0

da sie für deren Stoffwechsel unbekannt sind (beim Bioabbau spricht man häufig vom „Schlüssel-Schloss-Prinzip„: fehlt den natürlich vorkommenden Bakterien in ihrer dreidimensionalen Struktur eine geeignete „Andockstelle“ für die synthetischen Moleküle, können diese nicht festgehalten und durch biochemische Prozesse abgebaut werden – Schlüssel und Schloss passen nicht zusammen!).

Ein Team um Prof. Karl-Erich Jaeger vom Institut für Molekulare Enzymtechnologie (IMET) der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, angesiedelt im Forschungszentrum Jülich, ist nun bei der Suche nach neuen Biomolekülen mit hochspezialisierten Eigenschaften an einem ziemlich ungewöhnlichen – und auch wenig appetitlichen – Ort fündig geworden: am Abwasserrohr eines Schlachthofs. Hier, an einem solchen Ort, ist die Wahrscheinlichkeit, Mikroorganismen zu finden, die in der Lage sind, Fette und Proteine zu spalten und biochemisch abzubauen, aufgrund der vorliegenden Umgebungsbedingungen besonders hoch.

Gentechnische Manipulation von E. coli als Erfolgsmethode

Bei der weitergehenden Untersuchung solcher neuartigen und ungewöhnlichen Bakterienkulturen müssen die Forscher zahlreiche Tricks und Kniffe anwenden, um verwertbare Ergebnisse zu erhalten. Denn nahezu 99 % aller Mikroorganismen lassen sich nicht unter Laborbedingungen kultivieren. Der Trick, den die Wissenschaftler hier zur Vermehrung der Bakterienkulturen anwenden, besteht darin, das gängige „Arbeitspferd der Mikrobiologie“, Escherichia coli,

Div. E. coli

Div. E. coli, Foto: Wikipedia / Publ. Domain

gentechnisch so zu modifizieren, dass diese E. coli-Populationen das von Fremdkulturen eingeschleuste Erbgut „mit vermehren“.  So legten die Forscher zunächst eine Metagenom-Bibliothek aus ihrer Umwelt-Probe an. Dabei werden verschiedene kurze Abschnitte des DNA-Konglomerats aus der Abwasser-Probe auf „gewöhnliche“ E. coli Bakterien übertragen. Dadurch entsteht nach und nach eine große Menge an E. coli-Zellen, die jeweils unterschiedliche Abschnitte des Metagenoms beherbergen.

Biologische Wirkstoffe meist auch biologisch abbaubar

Mit dieser Methode konnten die Forscher zahlreiche Enzyme identifizieren und isolieren, die Fette und Proteine abbauen. Eher zufällig wurde auf diese Weise auch noch ein Bio-Tensid entdeckt, das durchaus weitreichende Anwendungen finden kann: beispielsweise für die Beseitigung von Umweltverschmutzungen, als Zusatz zu Waschmitteln – oder eben als Wirkstoff mit antibiotischer Wirkung. Der große Vorteil solcher „biologischer Tenside“ liegt darin, dass natürlich erzeugte Moleküle in der Regel auch biologisch abgebaut werden können (hier gibt es normalerweise den passenden Schlüssel für das Schloss aus dem weiter oben beschriebenen Bild – man muss ihn nur finden!).

Kläeranlage herkömmlicher Art

Foto: Wikipedia / CC 4.0

Bei der näheren Untersuchung der gefunden und per E. coli vermehrten Bakterienkulturen fiel den Wissenschaftlern auf, dass eine spezielle Bakterienkultur offenbar die Fähigkeit hatte, Membranen von Blutzellen aufzulösen. Weitere Analysen zeigten, dass es sich bei dem gefundenen Wirkstoff nicht, wie zunächst vermutet, um ein hämolytisches Enzym handelte, sondern dass der Wirkstoff Tensid-Eigenschaften hat. In der Struktur sind also, wie bei herkömmlichen Tensiden, wasserabweisende (hydrophobe) wie auch wasseranziehende (hydrophile) Komponenten kombiniert. So ist der Wirkstoff in der Lage, beispielsweise Emulsionen zu bilden oder auch Membranen aufzulösen. Dies erklärt die antibiotische Wirkung des Wirkstoffs gegenüber verschiedenen Bakterienarten: wird die Membran eines angegriffenen Bakteriums aufgelöst und zerstört, so stirbt dieses Bakterium ab – und verliert seine möglicherweise gesundheitsschädigende Wirkung gegenüber dem Menschen.

Natur bietet Vielzahl „biologischer Spezialmoleküle“ an – das Problem liegt im Finden

Die nun in den Scientific Reports des wissenschaftlichen Verlags „Nature Publishing Groups“ veröffentlichten Ergebnisse können langfristig dazu beizutragen, neue Technologien sowohl für die chemische wie auch für die Lebensmittel-Industrie zu erschließen. Der Weg, neue, antibiotisch wirksame Biomoleküle in der Natur zu finden und Wege zu deren biochemischer Synthese weiter zu entwickeln, ist im Hinblick auf Wirksamkeit, Bioabbaubarkeit und damit Vermeidung einer Bioakkumulation und den daraus resultierenden Risiken der Ausbildung von Resistenzeffekten, erheblich zielführender als die unentwegte Neusynthese neuer chemischer Moleküle, deren Entsorgung uns hohe Kosten verursacht.

Mutter Natur hatte viele Millionen Jahre Zeit, entsprechende Mikroorganismen mit solchen Fähigkeiten entstehen zu lassen – nun gilt es, Wege zu finden, diese hochspezifischen Mikroorganismen in erheblich viel kürzerer Zeit zu entdecken, ein wirkungsvolles Wirkstoff-Screening zu etablieren und die naturbasiserten Wirkstoffe für uns nutzbar zu machen.

Für weitere Informationen und Lösungen rund um den nachhaltigen Umgang mit Wasser, gleich ob als Trinkwasser, Kühl- oder Prozesswasser oder auch spezielle Industrieabwässer, in Wohnungswirtschaft, Industrie / Gewerbe und Öffentlichen Gebäuden und Einrichtungen: schauen Sie sich gerne die Beiträge auf meiner Web-Site an und nutzen Sie das Kontaktformular der Web-Site für Ihre spezielle Anfrage.

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Blog-Beiträge Dr. Matthias Brück

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