Biodiversitätsforschung an Pilzen für Pharmazeutika der nächsten Generation
Als kritisch gilt vor allem der weltweit übermäßige Einsatz von Antibiotika, der das Auftreten multiresistenter Bakterien fördert, gegen die derzeitige Antibiotika machtlos sind. Forscher befassen sich daher mit einer breiten Palette potenzieller bioaktiver Moleküle als Grundlage für neue Pharmazeutika, u.a. filamentöse (fadenförmige) Pilze, die natürliche antibiotische Substanzen erzeugen, so genannte Sekundärmetabolite. Schwerpunkt des EU-finanzierten Projekts QUANTFUNG (Quantitative Biology for Fungal Secondary Metabolite Producers) war die weitere Erforschung solcher Pilze. Über ein ITN (Initial Training Network) im Rahmen der Marie-Curie-Maßnahmen wurde die Erstausbildung von 15 Forschern gefördert. Der Fokus lag auf der biotechnologischen Nutzung von Pilzen und insbesondere der Suche nach Sekundärmetabolit- Genclustern, der gezielten Aktivierung von Genclustern, der Quantifizierung von Sekundärmetaboliten in industriell kultivierbaren Wirten sowie Bioaktivitätstests, um die Wirkungsweise zu klären. Das Projekt kann bereits Ergebnisse vorweisen, die in der Forschung auf großes Interesse gestoßen sind, u.a. die Entwicklung einer Genom-Editing-Methode (CRISPR/Cas9) für den Pilz Penicillium chrysogenum, die Sequenzierung neun verschiedener Penicillium-Genome mit insgesamt 1317 mutmaßlichen Sekundärmetabolit-Clustern sowie die Etablierung eines Multi-Gen-Expressionssystems für die Pilzzellfabrik Aspergillus niger zur Herstellung von Sekundärmetaboliten. Biotechnologisch nutzbare Pilzorganismen Bei der Suche nach medizinisch wirksamen bioaktiven Substanzen aus Pilzen hat man sich aber schon weitere Ziele gesteckt als nur die Antibiotikakrise einzudämmen. So wird an neuen Arzneimitteln gegen verschiedenste menschliche Krankheiten wie viele Krebsarten oder Neurodegeneration geforscht. Die Forscher von QUANTFUNG führten hierzu biotechnologische Veränderungen an Pilzorganismen durch, um ihnen mit neuesten Methoden aus der Synthesebiologie nutzbare Eigenschaften zu verleihen. Ein solches Werkzeug war das Gen-Editing-Verfahren CRISPR/Cas9. So sollten die für den Biosyntheseweg von Calbistrin kodierenden Gene identifiziert werden, einen Sekundärmetaboliten mit krebshemmenden Eigenschaften. Zunächst erfolgten strukturelle Analysen des Pilzes, um herauszufinden, welche Enzymaktivitäten an der Produktion von Calbistrin beteiligt sind. Dann wurden Genomsequenzen von drei Pilzarten verglichen, die Calbistrin produzieren, um die mutmaßlichen Gene zu finden, die für den Sekundärmetaboliten kodieren. Als die entsprechenden Gencluster geklärt waren, wurden die Gene mittels CRISPR/Cas9 deletiert, sodass die Mutantenstämme danach kein Calbistrin mehr produzierten. Die Projektkoordinatorin Prof. Vera Meyer fasst zusammen: "Die verschiedenen Techniken unserer Forscher wie auch die gewonnenen Erkenntnisse können zur Entwicklung neuer Methoden im Metabolic Engineering beitragen, sodass es künftig einfacher wird, medizinische Wirkstoffe wie Calbistrin in Pilzzellfabriken zu produzieren. Auf dieser Basis könnten neue Therapien entwickelt werden, vor allem gegen Krebserkrankungen." Der Schritt vom exzellenten Ergebnis zu neuen Medikamentenklassen QUANTUNG zeichnete sich vor allem durch seine multidisziplinären Forschungen aus, in die das Fachwissen von 11 Nachwuchsforschern (ESR) und vier erfahrenen Forschern (ER) über Modellbildung, Netzwerkanalyse, Systembiologie und Molekularbiologie bis hin zu synthetischer Biologie einfloss. Die Schulungen beinhalteten Praktika in verschiedenen QUANTFUNG-Labors und Gastbesuche im Rahmen von Kooperationen zwischen öffentlichem und privatem Sektor. Ziel dessen war, neue Sekundärmetabolite für die Bereiche Medizin, Ernährung, Landwirtschaft und Gesundheit zu entwickeln. Professor Meyer führt den Projekterfolg teilweise auf den multidisziplinären Ansatz und die Flexibilität zu, die von den Studierenden sowohl physisch als auch intellektuell gefordert war. Sie rekapituliert: "Allen, die sich mit demselben Phänomen befassen – in diesem Fall Pilze – enthüllen sich viele komplementäre Effekte. Trotz unterschiedlichster Werkzeuge, Methoden und Fachbereiche arbeiten alle auf dasselbe Ziel hin. Und nur so sind bahnbrechende Forschungen möglich. Aus den gemeinsamen Projektaktivitäten sind auch komparative Datensätze hervorgegangen, die weitere Forschungen befördern. Wie Professor Meyer ausführt, "ist QUANTFUNG ein guter Ausgangspunkt für künftige Forscher, da die Stipendiaten die verschiedenen Verfahren und Techniken in den betreuenden Labors praktisch kennengelernt haben. Eine langfristige Finanzierungszusage könnte die Standardisierung in diesem Bereich voranbringen und so zur Entwicklung neuer Klassen von Medikamenten und Antibiotika beitragen. Und mit den Industriepartnern, die an unserem Netzwerk beteiligt sind, ist dies auch machbar.
Schlüsselbegriffe
QUANTIFUNG, Pilze, Antibiotika, Penicillin, Biodiversität, Sekundärmetabolite, Gene, Krebs, Biotechnologie, Pharmazeutika