Etablierung eines industriellen Arbeitsablaufs zur Modulierung der Biosynthese von Sekundärmetaboliten in Actinobakterien

Abstract

Der Sekundärmetabolismus dient Mikroorganismen als Adaptionsmechanismus auf sich ändernde Umweltbedingungen. Dementsprechend ist davon auszugehen, dass viele Sekundärmetabolite im Labor nur in Anwesenheit von bestimmten Signalmolekülen gebildet werden, die zur Nachahmung dieser Umweltbedingungen dienen. Ziel dieser Arbeit war es, einen industriellen Arbeitsablauf zu etablieren, mit dem Modulations-Effekte von Signalmolekülen auf den Sekundärmetabolismus von Actinobakterien detektiert werden können. Basierend auf der Annahme, dass eine taxonomische Diversität auch zu einer chemischen Diversität der produzierten Sekundärmetabolite führt, sollte eine Methode zur gezielten Auswahl bakterieller Stämme aus der Sanofi-Stammsammlung etabliert werden. Der Genom-Abschnitt, der sich zwischen dem 16S-rRNA-Gen (16S rDNA) und dem 23S-rRNA-Gen befindet, wird als 16S-23S-rDNA internal transcribed spacer Region (ITS) bezeichnet. Anhand eines Pilotprojektes wurde getestet, ob die Sequenzierung von Amplifikaten, die das 16S-rRNA-Gen und die ITS-Region umfassen (16S-ITS-Amplifikate), eine geeignete Methode zur Charakterisierung der bakteriellen Sanofi-Stammsammlung darstellt. Anhand der 16S-ITS-Sequenzen war eine Stammidentifizierung auf Genus-Ebene sowie eine Inter- und Intra-Spezies-Differenzierung von Streptomyces-Stämmen mit sehr ähnlichen/identischen 16S-rDNA-Sequenzen möglich. Trotz der erhöhten Aussagekraft der 16S-ITS-Sequenzen gegenüber 16S-rDNA-Sequenzen war die Sequenzabdeckung pro Probe mit dem gewählten Versuchsaufbau zu niedrig, um das Verfahren in dieser Form in einen industriellen Hochdurchsatzprozess einzubinden. In einem weiteren Projekt wurde ein Kultivierungs- und Screening-Verfahren etabliert, mit dem der Einfluss von 18 Signalmolekülen auf die Bioaktivität von 70 Actinobakterien untersucht wurde. Jeweils drei Stämme hatten bei Anwesenheit der Signalmoleküle N-Acetyl-D-glucosamin (GlcNAc) bzw. Tetracyclin im Kultivierungsmedium eine erhöhte wachstumshemmende Wirkung auf Pseudomonas aeruginosa ATCC27853. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde GlcNAc in einem industriellen Arbeitsablauf eingesetzt, um bioaktive Sekundärmetabolite in Actinobakterien zu identifizieren, deren Produktion positiv durch GlcNAc beeinflusst wird. Unter 200 Stämmen wurden 22 Stämme identifiziert, deren Kulturextrakte unter GlcNAc-Zugabe eine verstärkte antibakterielle Aktivität hatten. Bei jeweils einem Stamm konnte die erhöhte Bioaktivität in Anwesenheit von GlcNAc auf eine gesteigerte Produktion von Oxytetracyclin bzw. Viridogrisein I zurückgeführt werden. Zudem konnte gehäuft eine Induktion von Siderophoren beobachtet werden. Im Falle eines Stammes wurde gezeigt, dass GlcNAc gegenüber Eisen einen untergeordneten Stimulus für die Desferrioxamin- und Oxytetracyclin-Biosynthese darstellt.