Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 11.05.2015

Ob in Algen, Pilzen oder im Holz – in der Natur gibt es eine Reihe von Substanzen, die zunehmend in den Blickpunkt der Forschung rücken. Diese Naturstoffe sollen etwa vor Krankheitserregern oder Krebs schützen. Das Problem: Um ihre exakte Wirkung in Studien zu untersuchen, müssten sie in größeren Mengen vorhanden sein. Abhilfe können hier Biotechnologen um Professor Christoph Wittmann von der Saar-Uni schaffen: Sie haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie den Naturstoff Deoxyviolacein in ausreichender Menge in Bakterienkulturen herstellen. Auch andere dieser Substanzen lassen sich so produzieren. Die Studie wurde von der Fachzeitschrift „Biotechnology & Bioengineering“ veröffentlicht und als bedeutend eingestuft.

Im Kampf gegen multiresistente Keime oder bösartige Tumore versagen herkömmliche Therapien und Wirkstoffe oftmals. Gefragt sind daher neuartige Substanzen wie zum Beispiel die Naturstoffe Deoxyviolacein und Violacein, die in Algen vorkommen. „Studien haben gezeigt, dass sie Tumore abtöten, aber auch Krankheitserreger in Schach halten können“, berichtet Professor Christoph Wittmann vom Institut für Systembiotechnologie an der Universität des Saarlandes. Damit Forscher aber mehr über die exakte Wirkweise erfahren, müssten die Substanzen in viel größeren Mengen vorliegen.

Wittmann und sein Team haben nun ein Verfahren entwickelt, in dem sie Deoxyviolacein in großer „Stückzahl“ produzieren. „Wir nutzen dazu Escherichia coli-Bakterien, deren Stoffwechsel wir derart verändern, dass die Mikroorganismen den Naturstoff herstellen“, sagt Wittmann. Als Grundlage dient den Wissenschaftlern dabei die Aminosäure Tryptophan, die bei den Bakterien in natürlicher Form vorkommt und den Mikroorganismen als Ausgangsstoff für die Produktion dient.

Um den Wirkstoff in größeren Mengen zu erhalten, haben die Forscher zudem dafür gesorgt, dass die kleinen Zellfabriken in idealen Bedingungen wachsen können. „Dabei haben wir beispielsweise Faktoren wie Nährstoffzufuhr, Temperatur und pH-Wert berücksichtigt und untersucht, wie die Parameter eingestellt sein müssen, damit die Mikroorganismen optimal wachsen“, so der Professor.

Haben die Bakterien die Substanz produziert, können die Forscher „ihre Ernte einfahren“: In einem biotechnologischen Verfahren trennt das Team um Wittmann den Naturstoff von anderen Zellbestandteilen ab. „Mit der Methode erhalten wir bei einem Liter Bakterienlösung ein Gramm hochreines Deoxyviolacein, das in Form von Kristallen vorliegt“, berichtet Wittmann. Nur durch die Kombination des veränderten Stoffwechsels und der Verbesserung der Wachstumsbedingungen sei diese große Ausbeute möglich, sagt der Biotechnologe weiter.

Die Naturstoffe stehen so in ausreichender Menge für umfangreiche Studien zur Verfügung. Auch Violacein und weitere Naturstoffe können mit dem biotechnologische Verfahren hergestellt werden, wie der Saarbrücker Professor erläutert: „Tryptophan ist Ausgangstoff vieler Substanzen, die sich so relativ einfach produzieren lassen.“ Darüber hinaus ist es denkbar, die Methode in größerem Maßstab industriell einzusetzen, falls sich eine therapeutische Wirkung eines Naturstoffes in medizinischen Studien belegen lässt.

Die renommierte Fachzeitschrift „Biotechnology & Bioengineering“ hat die Arbeit der Saarbrücker Forscher als besonders innovativ und relevant eingestuft. Die Studie wurde veröffentlicht: „Systems metabolic engineering of Escherichia coli for gram scale production of the antitumor drug deoxyviolacein”. (DOI: 10.1002/bit.25297)

Externer Link: www.uni-saarland.de

Medienmitteilung der Universität Basel vom 17.04.2015

Zellen im Blutgefässsystem von Wirbeltieren können mit sich selbst verschmelzen. Diesen Prozess, der auftritt, wenn ein Blutgefäss nicht mehr benötigt und zurückgebildet wird, hat das Forschungsteam von Prof. Markus Affolter am Biozentrum der Universität Basel erstmals auf zellulärer Ebene beschrieben. Die Ergebnisse der Studie sind im Fachjournal «PLoS Biology» veröffentlicht.

Blutgefässe bilden das Versorgungsnetzwerk des menschlichen Organismus. Sie versorgen ihn mit Sauerstoff und Nährstoffen bis in den letzten Winkel jedes Körperteils. Forschungsarbeiten über das Blutgefässsystem konzentrierten sich bislang in erster Linie auf die Bildung eines solchen Netzwerkes. Die Forschungsgruppe von Prof. Markus Affolter am Biozentrum der Universität Basel hat nun die Rückbildung nicht mehr benötigter Blutgefässe beim Zebrafisch genauer untersucht und entdeckt, dass die Zellen fähig sind, ihre Membranränder mit sich selbst verschmelzen zu lassen. Dass Gefässzellen von Wirbeltieren diese Eigenschaft haben, war bislang unbekannt.

«Self-Fusion» erstmals im Wirbeltier beobachtet

Die Bildung von Blutgefässen folgt einem komplizierten Architekturplan. «Der Plan für die Rückbildung ist auf den ersten Blick gleich, muss auf molekularer Ebene jedoch unterschiedlich sein», sagt Markus Affolter. Bei der Verödung eines Blutgefässes wandern die meisten Zellen in die benachbarten, funktionellen Gefässe. Die letzte Zelle, die im sich zurückbildenden Gefäss bleibt, fusioniert mit sich selbst und schliesst das Gefäss ab. Bei dem als «Self-Fusion» bezeichneten Prozess breitet sich eine Zelle um das gesamte  Gefäss aus. Die dabei aufeinandertreffenden  Membranränder dieser Zelle verschmelzen mit sich selbst und verschliessen so die Öffnung. So wird sichergestellt, dass bei der Verödung eines Gefässes kein Loch zurückbleibt, aus dem Blut austreten kann. Es ist das erste Mal, dass das Verschmelzen von Zellen mit sich selbst bei Wirbeltieren, zu denen auch der Mensch zählt, beobachtet werden konnte. «Bisher kannte man ein solches Verhalten von Zellen nur bei einfacheren Organismen wie dem Fadenwurm», erklärt Markus Affolter.

Hohe Plastizität durch «Self-Fusion»

Während der Ausbildung des Blutgefässnetzwerkes bilden sich immer wieder auch Gefässe, die nur vorrübergehend benötigt werden. Wie bei einem stillgelegten Flussarm eines weit verzweigten Gewässernetzes, durchfliesst diese Gefässe kein frisches Blut mehr und der Organismus beginnt mit dem Abbau dieses Seitenarms. Auf diese Weise reguliert sich das Blutgefässsystem von allein, optimiert seinen Blutfluss, indem überschüssige Gefässe, in denen sich der Blutdurchfluss und damit der Blutdruck verringern, zurückgebildet und deren Zellen recycelt werden. «Dieser neu gefundene Prozess ist für das zelluläre Verständnis vom Auf- und Abbau von Blutgefässen wichtig, da sich damit einmal mehr die unglaublich grosse Plastizität und Wandelbarkeit des Blutgefässsystems erklären lässt», so Anna Lenard, Erstautorin der Publikation. Die Studie wurde am Zebrafisch durchgeführt, da sich in dem fast durchsichtigen Fisch die Blutgefässentwicklung mittels moderner Mikroskopiertechniken am lebenden Tier beobachten lässt.

Bedeutung von «Self-Fusion» bei Krebs

«Wie die Zelle beim aufeinandertreffenden der Membranränder sich selbst erkennt, und dabei nur mit sich und nicht mit anderen, benachbarten Blutgefässzellen fusioniert, weiss man bislang jedoch noch nicht», so Markus Affolter. Schon lange liegt der Verdacht nahe, dass jede einzelne Zelle eines Organismus einen eigenen Code hat. «Dieser Prozess könnte diese Theorie teilweise bestätigen», meint Affolter. Mit seinem Team möchte er nun untersuchen, was beim «Self-Fusion»-Prozess in der Zelle genau passiert. Da Tumore für ihr Wachstum ein gut ausgebildetes Blutgefässsytem benötigen, könnte ein besseres Verständnis über die Bildung und Rückbildung des Netzwerkes Möglichkeiten eröffnen, wie sich ein solches System manipulieren liesse.

Originalartikel:
Anna Lenard, Stephan Daetwyler, Charles Betz, Elin Ellertsdottir, Heinz-Georg Belting, Jan Huisken, Markus Affolter:
Endothelial Cell Self-fusion during Vascular Pruning.
PLoS Biology, published online 17 April 2015 | DOI: 10.1371/journal.pbio.1002126

Externer Link: www.unibas.ch