Mit den Methoden der so genannten „Metagenomik“ haben Forscher jetzt die biochemischen Abläufe im Kuhmagen untersucht. Was sie dabei fanden, macht auch die Pharma-Industrie neugierig: Die Wissenschaftler entdeckten 22 bislang unbekannte Enzyme – Biomoleküle, die gezielt bestimmte chemische Reaktionen auslösen und beispielsweise für den Abbau von Pflanzenfasern wichtig sind. Einige dieser Enzyme, die von Mikroorganismen produziert werden, könnten für industrielle Verfahren genutzt und etwa in der Futtermittelproduktion oder der Medikamentenentwicklung eingesetzt werden. Seine Entdeckungen beschreibt das Forscherteam, zu dem neben Wissenschaftlern der Gesellschaft für Biotechnologische Forschung (GBF) und der Technischen Universität Braunschweig auch Kollegen aus Spanien und Neuseeland gehören, in der jüngsten Ausgabe der Fachzeitschrift Environmental Microbiology.
Im Pansen, dem ersten und größten ihrer vier Mägen, beherbergen Wiederkäuer eine große Zahl verschiedenartiger Bakterien und Pilze. Deren Aufgabe ist es vor allem, lange, schwer verdauliche Pflanzenfasern zu zersetzen, was die Tiere ohne die Hilfe von Mikroorganismen nicht könnten. Welche Bakterien hier genau am Werke sind, ist allerdings nur zu einem kleinen Teil bekannt. Der Grund: Die meisten der Kleinstlebewesen im Kuhmagen lassen sich nicht im Labor züchten und folglich auch nicht studieren. „Als Lebensraum“, erklärt der Mikrobiologe und GBF-Bereichsleiter Prof. Kenneth Timmis, „ist der Pansen der Kuh ähnlich schwer zu untersuchen wie der Meeresboden.“
Metagenomik: Stöbern in Massen von DNA-Schnipseln
Seit die Forschung über gentechnische Methoden verfügt, kann sie jedoch zumindest die Erbinformation der Mikroorganismen näher unter die Lupe nehmen. Als Metagenomik bezeichnet man dabei das Vorgehen, die gesamte Erbsubstanz, die man in einer Probe aus einem bestimmten Lebensraum findet, zu isolieren. Die DNA, die man dabei erhält, stammt von den unterschiedlichsten Organismen, bekannten wie unbekannten. Diese gesammelte Erbsubstanz wird in Fragmente zerlegt, die man in „gezähmte“ Bakterien einschleust und von diesen ablesen lässt. Biochemische Testverfahren geben dann Aufschluss darüber, welche Gene auf den betreffenden DNA-Schnipseln liegen und was sie bewirken.
So verfuhren die GBF-Forscher und ihre Kollegen mit einer Probe, die sie dem Pansen einer Milchkuh entnommen hatten. Unter dem DNA-Material aus Dutzenden teilweise noch unbekannten Bakterien fanden sie dabei auch Gene für einige neuartige Enzyme, mit denen die Kleinstorganismen Pflanzenfasern auflösen können. Enzyme steuern chemische Reaktionen sehr spezifisch und mit wenigen Nebenwirkungen; manche von ihnen lassen sich deshalb gezielt für chemische Verfahren einsetzen. Die neu gefundenen Enzyme aus dem Pansen könnten möglicherweise genutzt werden, um Pflanzen besser in Rohmaterial für industrielle Prozesse umzuwandeln.
„Man nimmt an, dass Mikroorganismen 90 Prozent aller Lebensformen auf der Erde stellen“, erklärt GBF-Wissenschaftler Dr. Peter Golyshin. „Unsere Arbeit hat gezeigt, dass diese Mikroorganismen ein enormes Potenzial haben: Man kann in ihnen völlig neue Enzyme mit ungewöhnlichen Eigenschaften finden – und voraussichtlich auch Wirkstoffe, die sich für medizinische Anwendungen eignen.“
Für Prof. Timmis sind die Anwendungsmöglichkeiten der Metagenomik noch nicht einmal annähernd ausgeschöpft: „Auf der Oberfläche von Pflanzen und der Haut von Menschen und Tieren leben die verschiedensten mikrobiellen Gemeinschaften“, erklärt Timmis, „ebenso wie im Verdauungstrakt. Diese komplexen Lebensgemeinschaften spielen eine entscheidende Rolle für die Gesundheit und die Nahrungsmittelverwertung.“
Die Organismen in diesem bakteriellen Beziehungsgeflecht zu identifizieren und zu erforschen ist von höchstem Interesse für Medizin, Landwirtschaft und Ernährungswissenschaft. „Gegenwärtig planen Forschungszentren und Hochschulen aus mehreren Ländern, in einem internationalen Projekt das Metagenom des Menschen zu erforschen – also die DNA der Bakterien von Haut, Darmoberfläche, Atemwegen und so fort“, sagt Timmis. „Unsere Forschungen am Metagenom des Pansens hat wichtige Vorarbeiten für dieses Projekt geleistet.“
Hinweis für die Medien
Ausführliche Informationen bietet der Originalartikel: M. Ferrer, O. Golyshina, T. Chernikova, A. Khachane, V. Martins Dos Santos, C. Strompl, K. Elborough, G. Jarvis, A. Neef, M. Yakimov, K. Timmis, P. Golyshin. Novel hydrolase diversity retrieved from a metagenome library of bovine rumen microflora. Environmental Microbiology (2005), 7(12), 1996-2010.
Hintergrundinformation
Die beschriebenen Forschungen wurden ausgeführt von der GBF, der Technischen Universität Braunschweig, dem Institute of Catalysis (CSIC) in Madrid/Spanien und dem neuseeländischen Biotechnologieunternehmen ViaLactia Biosciences. Unterstützt wurde das Projekt aus Mitteln der Europäischen Union, des Spanischen Forschungsministeriums, des Fonds der Chemischen Industrie und von ViaLactia. Die patentrechtlichen Über-einkünfte zwischen ViaLactia Biosciences und den beteiligten Forschungsinstituten vermittelte die Ascenion GmbH, die Patentmanagement-Agentur mehrerer deutscher Forschungszentren.
Bildunterschrift
Elektronenmikroskopische Aufnahme einer abgebrochenen Pflanzenfaser. Die Bruchstelle, hier in der Draufsicht abgebildet, wimmelt von Pansenbakterien, die als kleine Knöllchen zu erkennen sind. Die Bakterien bauen das Pflanzenfaser-Material ab, so dass die Kuh dessen Nährstoffe verwerten kann.
Foto: GBF/ Heinrich Lünsdorf
