Symbiosepezifische Peptide - Ein zweischneidiges Schwert für die Menschheit
Eine groß angelegte biologische Stickstofffixierung würde die Auswirkungen des wahllosen Einsatzes von Düngemitteln mildern. Darüber hinaus könnte die Fähigkeit, bakterielle Zelldifferenzierung zu manipulieren, zur Entwicklung neuartiger Antibiotika verwendet werden, ohne Risiko, dass arzneimittelresistente Bakterienstämme entstehen. Das von der EU geförderte SYM-BIOTICS-Projekt untersuchte den biologischen Stickstoff-Fixierungsprozess, um umweltfreundliche Lösungen zur Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion und zur Entwicklung neuartiger Antibiotika zu finden. An der biologischen Stickstofffixierung in den IRLC-Hülsenfrüchten (Inverted Repeat-Lacking Clade, IRLC) sind NCR-Peptide (nodule-specific cysteine-rich, NCR) beteiligt, die die Eigenschaften von endosymbionten Rhizobium-Bakterien modifizieren. Diese auf den Wirt ausgerichtete Differenzierung von Bakterien ist ein mehrstufiger Prozess, der in der Entwicklung von großen, nicht kultivierbaren stickstoffbindenden Bakteroiden mit Polyploidität gipfelt. NCR-Peptide - eine Win-Win-Situation für uns Die Forscher entwickelten hochmoderne Protokolle und untersuchten die Rolle der Polyploidie und der irreversiblen Differenzierung in Stickstoff fixierenden Bakteroiden, um die Rolle von NCR in diesem Prozess zu bestimmen. In zehn ausgewählten IRLC-Leguminosen identifizierten sie das NCR-Genrepertoire, das von wenigen bis zu Hunderten von Genen variierte, und stellten eine Korrelation zwischen der Bakteroiden-Morphologie und der Komplexität der NCR-Peptidfamilien fest. Von mehr als 700 NCR-Peptiden in Medicago truncatula identifizierten Wissenschaftler die Gegenwart von etwa 150 Peptiden in diesen Bakteroiden, was auf ihre hohe Stabilität hindeutet. Einige dieser Peptide, wie NCR247 und NCR169, erwiesen sich für eine erfolgreiche Symbiose als entscheidend, was auf ihre einzigartigen, unersetzlichen Funktionen hinweist. Die 700 NCR entstehen durch Genvervielfältigung, wobei einige Peptide redundante Funktionen haben, während andere essentiell sind. Unter diesen sind einige spezifisch für Medicago-Arten wie NCR169, während andere wichtige Akteure in dem bakteriellen Differentialprozess sind“, wie Prof. Eva Kondorosi, Hauptforscherin dieses Projekts erklärt. Eine interessante Entwicklung ist, dass einige dieser NCR-Peptide, insbesondere die kationischen, antimikrobielle Eigenschaften aufweisen. Prof. Kondorosi weist auf folgendes hin: „Zum Beispiel hemmt NCR247 bakterielle Zellteilung und seine Wechselwirkung mit vielen bakteriellen Proteinen verändert die Physiologie des Bakteriums mithilfe mehrerer Mechanismen. Dieses Peptid tötet in vitro effektiv viele pathogene Bakterien und Pilze ohne Zytotoxizität gegenüber menschlichen Zellen ab. Werden Mikroorganismen mit vielen Zielen und Wegen angegriffen, so senkt dies auch das Risiko einer Resistenzentwicklung. Diese Eigenschaften sind somit ideal für die Entwicklung neuer Antibiotika.“ Die Wissenschaftler testeten rund 40 synthetische NCR-Peptide an gramnegativen und grampositiven Bakterien sowie an Pilzen und erzielten dabei gute Ergebnisse. Ihre Leistung war nicht nur für menschliche und tierische Zelllinien ungiftig, sondern auch vergleichbar mit dem im Handel erhältlichen antimykotischen Amphotericin B. Darüber hinaus minimiert ihr vielseitiger Wirkmechanismus die Entstehung von Medikamentenresistenzen. Pflanzenressourcen, ein Segen für die Menschheit Diese beispiellose Studie zu der Frage, wie Wirtsorganismen wie Pflanzen NCR-Peptide zur Manipulation und Modifikation von Mikroben einsetzen, hat zu neuartigen Erkenntnissen mit weitreichenden Anwendungen geführt. Diese Informationen könnten neben der Verbesserung der Stickstofffixierung auch zur Entwicklung von Ressourcen für die Abwasserbehandlung, die Wasserstofferzeugung und die Umweltsanierung genutzt werden. „Wir haben ausgezeichnete Kandidaten für Antibiotika auf NCR-Peptidbasis. Unsere Arbeit ist jedoch noch nicht beendet. Aufgrund der Kosten der chemischen Peptidsynthese müssen wir die Größe der Peptide reduzieren. Das Testen der kombinierten Wirkung von antimikrobiellen Peptiden könnte sich als der Schlüssel für Senkung ihrer minimalen Hemmkonzentration erweisen“, so Prof. Kondorosi abschließend. Schließlich wurde ein Patent bezüglich der antimikrobiellen Wirkungen von NCR-Peptiden eingereicht. Dank der Bemühungen von SYM-BIOTICS könnten erschwingliche und effektive peptidbasierte Antibiotika früher als bisher verfügbar sein.
Schlüsselbegriffe
SYM-BIOTICS, Symbiose, Antibiotika, Ernährungssicherheit, NCR-Peptide
