Ant Venomics: Identifizierung, Charakterisierung und funktionelle Analyse von ausgewählten Toxinen aus dem Gift heimischer Ameisen

Abstract

Die über 14.000 bisher bekannten Ameisenarten der Familie Formicidae evolvierten ein ausgeklügeltes chemisches Verteidigungssystem in Form von Gift. Diese Gifte haben sich zu hochwirksamen und chemisch komplexen Gemischen entwickelt, die zu einem großen Anteil aus Polypeptidkomponenten bestehen. Das translationale Potenzial einzelner dieser Biomoleküle konnte bereits in vorausgehenden Arbeiten belegt werden. Dennoch sind bisher nur wenige Ameisenarten hinsichtlich ihres Giftes untersucht worden und ein umfangreiches biomolekulares Arsenal liegt bis heute in deren Giften verborgen. Besonders die Gifte der kleineren zentraleuropäischen Vertreter der Myrmicinae verbleiben bislang nahezu unangetastet. In meiner Arbeit gehe ich am Beispiel der beiden heimischen Arten Myrmica rubra und Myrmica ruginodis einigen Schlüsselfragen zur Biologie und der Anwendung von Ameisengiften nach. Der erste Teil der Arbeit widmet sich der Fragen wie diese Gifte aufgebaut sind und ob sie ähnlich komplexe sind, wie es von tropischen Arten bekannt ist. Dazu analysierte ich beide Gifte in einem Venomics-Ansatz auf Grundlage von kombinierten Proteom- und Transkriptomanalysen. Das Gift beider Myrmica-Arten enthält eine Vielzahl an Toxinen, welche typisch für Ameisengifte sind, darunter vor allem Serinproteasen und CAP-Proteine. Ich identifizierte zudem mehrere neuartige, dem epidermalen Wachstumsfaktor (epidermal growth factor, EGF) ähnelnde Toxine. Mitglieder dieser Toxinfamilie sind bekannte Verursacher langanhaltender Schmerzen, weshalb eine ähnliche Aktivität der von mir entdeckten Toxine wahrscheinlich ist. Meine Untersuchungen zeigen weiterhin, dass die Gifte heimischer Myrmicinae eine bislang ungeahnte Komplexität aufweisen. Mit 44 Komponenten in Myrmica rubra und 113 Komponenten in Myrmica ruginodis gehören sie zu den Ameisengiften mit der größten chemischen Diversität. Der zweite Teil meiner Arbeit befasst sich mit Fragen zur Translation von Ameisentoxinen aus den beiden Myrmica-Arten. Hierfür wurden bekannte antimikrobielle Peptide (antimicrobial peptides, AMPs) für eine Ähnlichkeitssuche in den Transkriptomdaten beider Myrmica-Arten verwendet. Dieser Ansatz führte zur Entdeckung von zehn Transkripten, die für AMP-ähnliche Toxine kodieren. Die daraus abgeleiteten und synthetisierten Peptide wiesen keine Aktivität gegen MDCK-II-Zellen oder Influenza-Viren auf. Aktivitätsstudien gegen sieben Bakterienstämme, teilweise von klinischer Relevanz, offenbarte ein relativ breites Aktivitätsspektrum gegen Prokaryoten. Insbesondere das Toxin U-MYRTX-Mrug5a zeigte eine breite wachstumshemmende, gegen die klinisch relevanten Bakterienstämme Listeria monocytogenes und Staphylococcus epidermidis sogar eine bakterizide Wirkung. Aufgrund ihres Breitband-Charakters und der geringen Zytotoxizität stellen diese Toxine interessante Ausgangsstoffe für zukünftige Untersuchungen dar.