Bioprospecting the Cultivable Bacteria Associated with Trididemnum maragogi from the Saint Peter and Saint Paul’s Archipelago (Brazil) for Bioactive Metabolites

Tief im Ozean, wo das Sonnenlicht verblasst und der Druck steigt, findet das Leben einen Weg, in unerwarteten Partnerschaften zu gedeihen. Zu den erfolgreichsten dieser Partnerschaften gehören die Beziehungen zwischen Meeresbewohnern und den mikroskopisch kleinen Bakterien, die auf oder in ihnen leben. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass diese winzigen Nachbarn nicht nur Passagiere sind; sie sind oft die wahren Fabriken hinter den starken chemischen Verbindungen, die in Meerestieren zu finden sind. Viele der Medikamente, die wir heute verwenden, insbesondere solche, die gegen Krebs kämpfen, wurden ursprünglich in Meerestieren wie Seescheiden entdeckt, doch weitere Forschungen haben gezeigt, dass häufig die in ihnen lebenden Bakterien diejenigen sind, die die Wirkstoffe tatsächlich herstellen. Diese Erkenntnis hat den Fokus der Arzneimittelforschung auf die mikroskopische Welt verlagert, in der Forscher nach neuen chemischen Strukturen suchen, die die nächste Generation lebensrettender Behandlungen werden könnten.

In einer abgelegenen Ecke des Atlantiks, fernab des brasilianischen Festlands, liegt ein winziger Cluster vulkanischer Inseln, bekannt als der Archipel São Pedro und São Paulo. Dieser isolierte Ort ist die Heimat einer einzigartigen Art von Seescheide, einem kleinen, sesshaften Tier, das Wasser nach Nahrung filtert. Ein Forscherteam reiste zu diesem Archipel, um Proben dieser spezifischen Seescheide zu sammeln, die in großen, flachen Matten auf dem felsigen Meeresboden wächst. Ihr Ziel war es nicht, das Tier selbst zu untersuchen, sondern die Gemeinschaft der Bakterien zu erforschen, die auf seiner Oberfläche leben. Sie wollten sehen, ob diese Mikroben Chemikalien produzieren können, die in der Lage sind, das Wachstum von Krebszellen zu stoppen, eine Eigenschaft, die als antiproliferative Aktivität bekannt ist.

Die Wissenschaftler brachten ihre Proben zurück in das Labor und begannen mit der mühsamen Arbeit, die Bakterien vom Gewebe der Seescheide zu trennen. Sie platzierten winzige Mengen des zerkleinerten Tiermaterials auf verschiedene Arten von nährstoffreichen Platten und warteten darauf, dass die Bakterien zu sichtbaren Kolonien heranwuchsen. Über mehrere Monate hinweg lieferte dieser Prozess fünfzig verschiedene Bakterienstämme. Die Forscher identifizierten anschließend, um welche Art von Bakterien es sich handelte, indem sie einen spezifischen genetischen Code lasen, der für alle Lebewesen gemeinsam ist. Sie entdeckten eine vielfältige Mischung aus Mikroben, darunter Gruppen, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, komplexe Medikamente herzustellen, wie etwa Bacillus und mehrere Arten von Actinomyceten, welche Bakterien, die berühmt für die Herstellung von Antibiotika sind.

Um zu testen, ob diese Bakterien nützlich waren, züchtete das Team sie in Flüssigkulturen an und extrahierte die von ihnen produzierten Chemikalien. Sie setzten diese Extrakte dann in einer Schale zwei verschiedenen Arten von menschlichen Krebszellen aus: einer von einem Melanom (Hautkrebs) und einer von einem Darmkrebs. Die Ergebnisse waren vielversprechend. Mehrere der bakteriellen Extrakte stoppten das Wachstum der Krebszellen, wobei einige besonders starke Effekte zeigten. Die erfolgreichsten Extrakte stammten von Bakterien aus den Gruppen Micromonospora und Salinispora. Diese spezifischen Stämme waren in der Lage, die Krebszellen selbst bei sehr niedrigen Konzentrationen abzutöten oder deren Wachstum zu stoppen, was darauf hindeutet, dass sie potente chemische Waffen produzieren.

Es ist jedoch nur der erste Schritt zu wissen, dass ein Bakterium Krebszellen tötet. Die Forscher mussten verstehen, welche Chemikalien dafür verantwortlich waren. Sie verwendeten eine hochentwickelte Technik, die Moleküle basierend auf ihrem Gewicht und ihrer Struktur trennt und identifiziert. Diese Methode ermöglichte es ihnen, eine Karte der in den Extrakten vorhandenen Chemikalien zu erstellen. Sie fanden heraus, dass einige der aktiven Extrakte bekannte Familien von Verbindungen enthielten, wie etwa Staurosporine und Rifamycine, die bereits für ihre krebshemmenden Eigenschaften bekannt sind. Doch die bemerkenswerteste Erkenntnis war, dass die überwiegende Mehrheit der detektierten chemischen Signale nicht mit irgendetwas in bestehenden Datenbanken übereinstimmte. Ungefähr fünfundneunzig Prozent der gefundenen Chemikalien waren der Wissenschaft völlig unbekannt und stellten eine verborgene chemische Vielfalt dar, die so noch nie gesehen worden war.

Um diesem Rätsel auf den Grund zu gehen, wählte das Team eines der aktivsten Bakterien aus, einen Stamm von Micromonospora, und sequenzierte dessen gesamten genetischen Code. Diese genomische Karte enthüllte, dass das Bakterium zwanzig verschiedene Gencluster besaß, die der Herstellung komplexer Moleküle gewidmet sind. Während einige dieser Gencluster mit bekannten Pfaden zur Herstellung von Antibiotika oder anderen Medikamenten übereinstimmten, schienen viele andere völlig neu zu sein. Der genetische Bauplan deutete darauf an, dass das Bakterium die Kapazität besitzt, eine große Vielfalt an Verbindungen zu produzieren, einschließlich einiger, die noch nie beschrieben wurden. Dies bestätigte, dass die Bakterien nicht nur die wenigen bekannten Chemikalien herstellten, die die Forscher entdeckt hatten, sondern wahrscheinlich eine viel breitere Palette neuartiger Substanzen synthetisieren.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Seescheiden des Archipels São Pedro und São Paulo und die mit ihnen lebenden Bakterien eine reiche und weitgehend unerforschte Quelle neuer Medikamente sind. Obwohl die Forscher in dieser spezifischen Studie kein einzelnes neues Medikament isoliert haben, haben sie demonstriert, dass diese abgelegenen Inseln mikrobielle Gemeinschaften beherbergen, die in der Lage sind, eine enorme Vielfalt an einzigartigen Chemikalien zu produzieren. Die Arbeit unterstreicht den Wert, über das Tier selbst hinaus auf die mikroskopischen Partner zu blicken, die in ihm leben. Durch die Kombination der Untersuchung der Bakteriengenetik mit der Analyse ihres chemischen Outputs können Wissenschaftler die „dunkle Materie“ des Ozeans besser navigieren – die Millionen unbekannter Moleküle, die darauf warten, entdeckt zu werden. Dieser Ansatz bietet einen kraftvollen Weg nach vorn, um die nächste Generation von Behandlungen für Krankheiten wie Krebs zu finden, die in der Biodiversität der isoliertesten Ökosysteme der Welt verwurzelt sind.