Wissenschaft & Forschung

Pigmente aus Algen und Bakterien, zum Beispiel Chlorophyll, tragen dazu bei, den Sauerstoffgehalt sowie den Kohlenstoff- und den Stickstoffkreislauf in Seen und Ozeanen besser zu verstehen.
Die wichtigsten und häufigsten farbgebenden organischen Verbindungen in der Natur sind Chlorophylle in Phytoplankton und Pflanzen.1) Diese Pigmente absorbieren Licht bestimmter Wellenlängen für die Photosynthese und bilden dadurch die Grundlage für das Leben auf der Erde, wie wir es kennen.1)Pigmente und deren Abbauprodukte finden sich überall: in Böden, Gewässern, Sedimenten, Gesteinen und Erdöl (Abbildung 1).2,3) Pigmente aus Gewässern eignen sich dazu, Mikrobiengemeinschaften zu rekonstruieren.3) Außerdem geben Kohlenstoff und Stickstoff, die in den Pigmenten gebunden sind, Aufschluss über Quellen, Umwandlungsprozesse und Entfernung von C- und N-Verbindungen aus der Wassersäule, der Atmosphäre und umliegenden Böden.4)<figure><img src="https://media.graphcms.com/yJu2nezThiQ1fpW4wSwd"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Pigmente in der Natur; großes Foto oben: Algen und Landpflanzen im und um den Rotsee (bei Luzern, Schweiz); Mitte: grüne Pigmente in Bäumen; rechts: Dünnschichtchromatographie von Pigmenten eines Sedimentextrakts aus dem Rotsee. <named-content>Fotos: Sebastian Näher</named-content></figcaption></figure>
Nährstoffe bestimmen die Entwicklung der Mikrobiengemeinschaften in Seen und Ozeanen. Diese Gemeinschaften verändern sich, wenn zum Beispiel Landwirte mehr Düngemittel ausbringen oder ungeklärte Abwässer in die Seen gelangen. Denn dies beeinflusst den Stickstoffkreislauf und verursacht Eutrophierung in den Gewässern. Dieser Prozess geht typischerweise mit einer Massenentwicklung von Algen und mit Sauerstoffarmut einher sowie mit Massensterben von Wasserlebewesen.5) Außerdem sind die Produktion und der Abbau der Biomasse phototropher Organismen wesentliche Bestandteile des Kohlenstoffkreislaufs. Damit sind Pigmente wertvolle Indikatoren für Umwelt- und Klimaveränderungen.Um mehr über die Veränderungen von Mikrobiengemeinschaften zu erfahren und wie Algen und Bakterien den Sauerstoffgehalt des Wassers sowie die Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufe beeinflussen, haben wir die Pigmente in Sedimenten aus Gewässern untersucht.6,7)<h2>Studienobjekte und Mikrobiengemeinschaften</h2>Wir haben drei Schweizer Seen untersucht – den Rotsee, den Zürichsee und den Cadagnosee – sowie das Schwarze Meer (Rumänisches Schelf).6,7)Der Rotsee in der Nähe von Luzern ist mit einer Fläche von 0,46 km2 nur 16 m tief (Abbildung 1). Fast das ganze Jahr bleibt der See geschichtet (stabiler thermischer Gradient mit kälterem Tiefen- und aufgewärmtem Oberflächenwasser), das Tiefenwasser ist sauerstofffrei und schwefelwasserstoffreich. Unter diesen Bedingungen kommen spezielle grüne Schwefelbakterien (Chlorobiaceae) und Schwefelpurpurbakterien (Chromatiaceae) vor, die mit Licht und H2S anoxygene Photosynthese betreiben. Diese Schwefelbakterien findet man auch im alpinen Cadagnosee (0,26 km2 groß, 21 m tief) im Tessin.Während den Rotsee außerdem die Artenvielfalt an Algen und Cyanobakterien prägt, kommen im Cadagnosee vor allem Grünalgen, Diatomeen und Flagellaten vor.Anders ist der Zürichsee (67,3 km2 groß; 137 m tief): Er durchmischt sich generell ein bis zwei Mal jährlich und hat einen höheren Sauerstoffgehalt als die anderen Seen.8,9) In diesem See ist das Cyanobacterium Planktothrix rubescens (Burgunderblutalge) vor allem in den letzten Jahren dominierend geworden und bildet zeitweise sogar mehr als 50 Prozent der gesamten Biomasse.10)Das Schwarze Meer ist ein permanent geschichtetes, brackisches Inlandmeer und das größte Becken der Welt, das durch sauerstofffreies Tiefenwasser geprägt ist (0,46 Millionen km2 groß, 2220 m tief). Auf dem Rumänischen Schelf kommen vor allem Diatomeen, Dinoflagellaten, Cyanobakterien und grüne Schwefelbakterien vor.6)<h2>Analyse der Pigmente in Sedimenten</h2>Pigmente löst man mit organischen Lösungsmitteln aus Sedimenten und isoliert diese mit Hochleistungsflüssigchromatographie (Abbildung 2). Abbildung 1 rechts zeigt den Trennprozess auf einer Silicagel-Platte (Dünnschichtchromatographie) statt einer chromatographischen Säule. Die C- und N-Isotopenzusammensetzung der isolierten Pigmente wird dann an Isotopen-Massenspektrometern gemessen. Dies ist erst seit wenigen Jahren möglich, seitdem leistungsfähige und hochsensitive Instrumente auf dem Markt sind.4)<figure><img src="https://media.graphcms.com/CGFXc9fLRyKrXZVoxj3i"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Links und oben: zweidimensionaler Gaschromatograph mit Flugzeitmassenspektrometer (GC×GC-ToF-MS) beziehungsweise Hochleistungsflüssigchromatograph zur Messung von Pigmenten und Abbauprodukten; rechts Mitte und unten: Pigmente isoliert mit HPLC. <named-content>Quellen: Sebastian Näher, Leco (links)</named-content></figcaption></figure>
Maleimide sind monopyrrolische Abbauprodukte von Pigmenten, die aus jeweils einem der vier Pyrrolringe von Chloropigmenten durch Oxidation entstehen (Abbildung 3, S. 18). Diese Maleimide werden mit Gaschromatographen nach nasschemischer Aufreinigung gemessen.2)<figure><img src="https://media.graphcms.com/ZmV9XvMSnSOSL6CFGXIa"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Strukturen von Chlorophyllen, Bakteriochlorophyllen und deren Abbauprodukten( Pheopigmente, Maleimide).</figcaption></figure>
Die Analyten werden gereinigt, indem die Maleimide von anderen Komponenten im Gesamtextrakt getrennt werden und zwar mit organischen Lösungsmitteln über eine bis zwei Kieselgelsäulen und eine Dünnschichtplatte.2)Eine neue Methode basiert auf zweidimensionaler Gaschromatographie gekoppelt mit einem Flugzeitmassenspektrometer (GC×GC-ToF-MS; Abbildung 2). Damit lassen sich Maleimide in komplexen Mischungen schnell und empfindlich bestimmen. Dazu wird entweder der Gesamtlösungsmittelextrakt injiziert oder die Fraktion, die ein Trennschritt mit einer Kieselgelsäule liefert.11)<h2>Algen- und Bakteriengemeinschaften und Sauerstoff</h2>Die wichtigsten Gruppen phototropher Organismen lassen sich anhand der Pigmente unterscheiden.3) Während Chlorophyll a und seine Abbauprodukte von Algen und Cyanobakterien stammen, sind Bakteriochlorophylle und deren Derivate die Produkte von grünen Schwefel- und Schwefelpurpurbakterien (Abbildung 3).3,6) Da letztere nur unter schwefelwasserstoffreichen Bedingungen vorkommen, zeigen die Pigmente Sauerstoffarmut an.2,6,12) Eine wichtige Anwendung von Pigmenten ist daher, die relativen Sauerstoffgehalte in heutigen Systemen sowie in der Erdgeschichte zu rekonstruieren.2,6,12)Sowohl das Verhältnis von Bakteriochlorophyllen c, d oder e zu Chlorophyll a als auch das Verhältnis der Abbauprodukte 2-Methyl-3-iso-butyl-maleimid (Me, i-Bu) zu 2-Methyl-3-ethyl-maleimid (Me, Et) (Abbildung 3) sind robuste Indikatoren für den Grad von Sauerstoffarmut.12) Zum Beispiel beweisen diese Abbauprodukte, dass zumindest drei der insgesamt fünf großen Massensterbeereignisse der letzten 500 Millionen Jahre, Frasnium-Framenium (Devon), Perm-Tiras-Grenze und Trias-Jura-Grenze, mit Sauerstoffarmut einhergingen und für das Aussterben vieler Arten zumindest mitverantwortlich waren.12) Bei diesen Massensterbeereignissen sind jeweils mindestens 75 Prozent aller Spezies auf der Erde ausgestorben, im größten von ihnen zirka 96 Prozent (Perm-Trias-Grenze, vor etwa 250 Millionen Jahren).13)<h2>Isotope als Indikatoren biogeochemischer Prozesse</h2>Veränderungen von Isotopenverhältnissen erlauben Rückschlüsse auf Umweltveränderungen. Die Fraktionierung wird in der delta(δ)-Notation ausgedrückt, δ13C- und δ15N-Werte als Abweichung des Verhältnisses von 13C zu 12C und 15N zu 14N in der Probe gegenüber einem Standard (C: Vienna Pee Dee Belemnite, VPDB; N: Luftstickstoff, AIR). Aufgrund der sehr geringen Abweichungen (Faktor 1000) werden δ-Werte in Promille (‰) angegeben.In Pigmenten geben Isotope Aufschluss über Quellen, Umwandlungsprozesse und Entfernung von C und N aus Atmosphäre und umliegenden Böden sowie über die langfristige Einlagerung von C und N in Sedimenten.4) Damit haben die phototrophen Mikrobiengemeinschaften in Seen und Ozeanen entscheidenden Einfluss auf den Nährstoffkreislauf und das Klima.Generell zeigen Pflanzenpigmente in Böden niedrigere δ13C-Werte (zirka –32 ‰) als Phytoplankton (zirka –25 ‰) (Abbildung 4a).6) Gerade in den untersuchten Seen wird das organische Material mehrfach umgewandelt, dies ist der Grund für die niedrigen δ13C-Werte, auch wenn das organische Material vor allem im See entsteht (Abbildung 4).6)<figure><img src="https://media.graphcms.com/J6RuTpzLTF2UZZSATpJ0"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Zusammenfassung von C- (oben) und N- (unten) Isotopenergebnissen der Pigmente aus den untersuchten Seen und dem Schwarzen Meer.6) Die Balken repräsentieren die Bandbreite der Werte verschiedener Pigmente von Algen und Cyanobakterien (orange), grünen (grün) und Schwefelpurpurbakterien (violett). OM: organisches Material. (VPDB: Standard, Vienna Pee Dee Belemnite, AIR: Standard, Luftstickstoff)</figcaption></figure>
Pigmente sind labil, und Abbauprozesse sind schneller als der Transport von organischem Material aus Böden in Seen. Daher stammt Chlorophyll aus Seesedimenten vor allem direkt aus dem See. Es werden dann insbesondere Pheopigmente (Abbildung 3) eingeschwemmt, während das intakte Chlorophyll a vor allem vom Phytoplankton im See produziert wird und daher auch andere Isotopensignale aufweisen kann. Zum Bespiel ist im letzten Jahrzehnt durch den Rückgang der Algenproduktivität im Zürichsee der relative Eintrag von organischem Material aus dem Boden angestiegen.7) Radiokohlenstoffdatierungen des organischen Materials im Oberflächensediment zeigen erhöhte Alter durch den Eintrag sehr alten Bodenmaterials (bis zu 20 %) im sehr jungen (rezenten) Seesediment.7)Außerdem verschieben sich die Isotopenverhältnisse durch die Massenentfaltung des Phytoplanktons (Algenblüten). Algenblüten sind durch verschiedene Spezies zu unterschiedlichen Zeiten geprägt, wodurch sich die Kohlenstoffquellen verändern. Gerade zu Zeiten höherer Produktivität kann mehr Kohlenstoff im See gebunden werden und langfristig gespeichert werden, was zu höheren δ13C-Werten führt.Im Gegensatz dazu erlauben die N-Isotopenwerte der Pigmente, die Stickstoffquellen der Organismen (Abbildung 4b) zu rekonstruieren.4) Die hohen δ15N-Werte der Pigmente im Zürichsee lassen sich auf die Dominanz von P. rubescens zurückführen, ein Cyanobakterium, das Nitrat aufnimmt.6,7) Die Verhältnisse sind im Rotsee und im Cadagnosee anders. In beiden Seen wird insbesondere reichlich vorhandenes Ammonium aufgenommen, wodurch sich deutlich niedrigere δ15N-Werte von bis zu –8 ‰ einstellen.6)Einen weiteren Prozess, die Fixierung von Luftstickstoff, betreiben nur spezielle Cyanobakterien, die in diesen Systemen nur eine untergeordnete Rolle spielen. Allerdings sind auf dem Schelf des Schwarzen Meeres Nitrat und Stickstofffixierung die dominierenden Stickstoffquellen, und vor allem die Stickstofffixierung ist verantwortlich für eine Fraktionierung von bis zu 10 ‰ (Abbildung 4).Phototrophe Schwefelbakterien leben dagegen unter Bedingungen der Sprungschicht (Übergang zwischen Oberflächen- und Tiefenwasser mit starkem Temperaturgradienten) oder des Tiefenwassers und haben dadurch andere Signaturen. Die grünen Schwefelbakterien fixieren Kohlenstoff durch den reduktiven Tricarbonsäurezyklus, wodurch deren Bakteriochlorophylle an 13C relativ zur C-Quelle angereichert sind, während Schwefelpurpurbakterien durch den Calvinzyklus 13C abreichern (Abbildung 4).6)Im Fall der niedrigen δ15N-Werte der grünen Schwefelbakterien (Abbildung 4) bedeutet dies, dass diese vor allem Ammonium binden,6) obwohl zumindest von den Spezies im Cadagnosee bekannt ist, dass sie Stickstoff fixieren können.Die Bakteriochlorophyll-a-Synthese ist bei Purpur-Schwefelbakterien fast unabhängig vom Substrat.15) Somit ist es nicht möglich, deren Stickstoffquelle anhand der Pigmente zu bestimmen. Allerdings nehmen auch diese Bakterien vermutlich vor allem das reichlich vorhandene Ammonium in der Sprungschicht und dem Tiefenwasser im Rotsee und Cadagnosee auf.<h2>Veränderungen aus der Vergangenheit</h2>Im Zürichsee zeigen die C-Isotopensignaturen der Pigmente die Abfolge von zunehmender Eutrophierung seit Mitte des 19. Jahrhunderts bis zum Maximum in den 1970er Jahren. Danach sank die Menge an Nährstoffen, da die Einträge aus der Landwirtschaft abnahmen und Abwässer seitdem geklärt werden.7)Da das toxische Cyanobakterium P. rubescens den Hauptteil der Biomasse im See ausmacht, lässt sich dessen Geschichte im See anhand des N-Isotopensignals von Chlorophyll a grob rekonstruieren.7) Seit Ende des letzten Jahrhunderts nimmt der δ15N-Wert zu, da dieses Bakterium zunehmend Algen verdrängt, die neben Nitrat vor allem Ammonium aufnehmen. Nur zur Zeit der maximalen Eutrophierung geht die Biomasse von P. rubescens stark zurück, und andere Cyanobakterien und Algen bestimmen die δ15N-Signatur mit geringeren Werten. Die starke Verschiebung zu niedrigen δ15N-Werten ist Ergebnis des begrenzten Stickstoffangebots in der heutigen, nährstoffarmen Periode.7)In den letzten Jahren wurde P. rubescens zur dominanten Spezies im Zürichsee. Aufrund der Klimaerwärmung ist die Oberflächentemperatur des Sees gestiegen, und der See mischt sich dadurch weniger. Zudem haben die Phosphatkonzentrationen viel stärker abgenommen als die von Nitrat.10) Diese Faktoren haben wohl zu idealen Lebensbedingungen für dieses Cyanobakterium geführt.<h2>Umweltveränderungen rekonstruieren – Fazit</h2>Nicht nur für Biogeochemiker, sondern auch für Wissenschaftler, die sich für den Einfluss von Umwelt- und Klimaveränderungen auf Seen und Ozeane interessieren, eignen sich Chlorophylle und deren Umwandlungsprodukte als Untersuchungsobjekte.Die Mikrobiengemeinschaften in der oberen Wassersäule beeinflussen den Kohlenstoff- und den Stickstoffkreislauf und damit die Wirkung veränderter Nährstoffeinträge. Sie haben Einfluss, wie viel Kohlenstoff Seen und Ozeane aufnehmen und speichern und spielen damit eine Rolle beim Klimawandel.Seit mit dem Haber-Bosch-Verfahren Ammoniak und damit synthetische Düngemittel produziert werden, hat sich der Nitrateintrag in die Umwelt erhöht und zerstört sie zunehmend. Da Nitrat und Ammonium nicht in geologischen Archiven erhalten bleiben, sind die N-Isotope in Pigmenten wertvolle Indikatoren, um die Geschichte des Stickstoffkreislaufs auf der Erde zu rekonstruieren.<h2>Quergelesen</h2>Anhand von Chlorophyllen und ihren Abbauprodukten – Pheopigmenten und Maleimiden – lassen sich Photosynthese betreibende (phototrophe) Mikrobengemeinschaften in Seen und Ozeanen und in früheren Ökosystemen der Erdgeschichte rekonstruieren.Isotopensignaturen der Pigmente liefern einen Einblick in Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufe dieser Systeme, die sich mit den Umweltbedingungen verändern.Daher sind Pigmente wichtige Indikatoren für den Sauerstoffgehalt sowie die Aufnahme und Speicherung von Kohlenstoff und Stickstoff in Gewässern.Sebastian Näher, Jahrgang 1984, hat Geologie an der Universität Mainz und der ETH Zürich studiert und an der ETH Zürich und am Wasserforschungszentrum Eawag, Dübendorf, in Biogeochemie promoviert. Nach Forschungsaufenthalten an der Curtin University in Perth, Australien, und am Zentrum für Marine Umweltwissenschaften (Marum) der Universität Bremen arbeitet er nun bei GNS Science in Neuseeland. Während seiner Zeit in Perth ist unter anderem die vorgestellte Arbeit entstanden. Möglich wurde sie vor allem durch einen zweimonatigen Forschungsaufenthalt am Jamstec (Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology). <a href="mailto:s.naeher@gns.cri.nz">s.naeher@gns.cri.nz</a> Naohiko Ohkouchi, Jahrgang 1966, hat 1995 an der Universität Tokio promoviert. Er arbeitete an den Universitäten Kyoto und Hokkaido sowie an der Woods Hole Oceanographic Institution in den USA, bevor er im Jahr 2002 zu Jamstec wechselte. Dort ist er derzeit Direktor des Departments für Biogeochemie. Zudem ist er Visiting Professor am Department for Environmental Chemistry and Engineering am Tokyo Institute of Technology.<div><img src="https://media.graphcms.com/mVpw9BGHRlugmrxW3aXa">

</div><div><img src="https://media.graphcms.com/joIgZlzGTlnJlGcyRtB0">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 H. Scheer, An overview of chlorophylls and bacteriochlorophylls [Hrsg.: B. Grimm et al.], Chlorophylls and Bacteriochlorophylls – Biochemistry, Biophysics, Functions and Applications, Springer, 2006, 1–26.</li><li>
2 S. Naeher, P. Schaeffer, P. Adam, C. J. Schubert, Geochim. Cosmochim. Acta 2013, 119, 248–263.</li><li>
3 B. J. Keely, Geochemistry of chlorophylls [Hrsg.: B. Grimm et al.], Chlorophylls and Bacteriochlorophylls – Biochemistry, Biophysics, Functions and Applications, Springer, 2006, 535– 561.</li><li>
4 N. Ohkouchi, Y. Takano. „Organic Nitrogen: Sources, Fates, and Chemistry“ [Hrsg.: H. D. Turekian, K. K. Holland], Treatise on Geochemistry, Elsevier, 2014, 251–289.</li><li>
5 J. Friedrich, F. Janssen, D. Aleynik, Biogeosciences 2014, 11, 1215– 1259.</li><li>
6 S. Naeher, H. Suga, N. O. Ogawa et al., Chem. Geol. 2016, 443, 198–209.</li><li>
7 S. Naeher, H. Suga, N. O. Ogawa et al., Chem. Geol., 2016, 443, 210–219.</li><li>
8 S. Naeher, A. Gilli, R. P. North, Y. Hamann, C. J. Schubert, Chem. Geol. 2013, 352, 125–133.</li><li>
9 S. Näher, A. Gilli, Y. Hamann, C. J. Schubert, Nachr. Chem., 2014, 62, 1094–1097.</li><li>
10 T. Posch, O. Köster, M. M. Salcher, J. H. Pernthaler,. Nature Clim. Change, 2012, 2, 809–813.</li><li>
11 S. Naeher S. K. Lengger, K. Grice, J. Chromatogr., 2016, 1435, 125–135.</li><li>
12 S. Naeher, K. Grice, Chem. Geol. 2015, 404, 100–109.</li><li>
13 A. D. Barnosky N. Matzke, S. Tomiya et al. Nature 2011, 471, 51–57.</li><li>
14 H. Halm, N. Musat, P. Ram et al. Environ. Microbiol. 2009, 11, 1945–1958.</li><li>
15 V. I. Beaumont, L. L. Jahnke, D. J. Des Marais, Org. Geochem. 2000, 31, 1075–1085.</li></ul>

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Pigmente – Indikatoren für Umweltveränderungen

Pigmente aus Algen und Bakterien, zum Beispiel Chlorophyll, tragen dazu bei, den Sauerstoffgehalt sowie den Kohlenstoff- und den Stickstoffkreislauf in Seen und Ozeanen besser zu verstehen. Die wichtigsten und häufigsten farbgebenden organischen Verbindungen in der Natur sind Chlorophylle in Phyt...

Mikroskopisch kleine Lebewesen kommunizieren mit ihrer Umwelt, indem sie Signalmoleküle aussenden. Diese sind für die Entwicklung vieler Organismen essenziell, denn sie dienen als Lockstoffe, Regulatoren und steuern die Musterbildung. Zudem bilden Mikroben Abwehrstoffe, die verhindern, dass sich Konkurrenten auf ihrem Wirt sammeln.
<h2>Bakterielle Kommunikation</h2>Menschen nehmen Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze oft als Bedrohung und Krankheitserreger wahr. Doch nur die wenigsten Mikroorganismen machen Menschen krank; der Großteil sind nützliche oder sogar lebensnotwendige Begleiter von Mensch, Tier und Pflanzen, sind also Symbionten. Viele Mikroorganismen interagieren mit ihrer Umgebung, indem sie Signalstoffe produzieren. Damit beeinflussen sie etwa mikrobielle Nachbarn1) oder wehren Fressfeinde ab.2)Um Interaktionen sowohl mit derselben Art als auch mit artfremden Mikroben zu regulieren, senden viele gramnegative Bakterien N-Acylhomoserinlactone (AHLs, (1)) aus, auch Autoinduktoren genannt (Abbildung 1). AHLs entstehen durch Enzyme der LuxI-Familie aus S-Adenosylmethionin (2) und Intermediaten der Fettsäurebiosynthese (3). Dabei wird Methylthioadenosin (4) abgespalten. AHLs variieren in Alkylkettenlänge und Substitutionsmuster.<figure><img src="https://media.graphcms.com/R1AhnsLxRVSCvx8giDDs"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Oben: Biosynthese der bakteriellen Signalmoleküle AHL (3) und AI-2 (8). Unten: Alkylquinolon (PQS), produziert durch P. aerigunosa (9) und peptidisches Signalmolekül (10) aus S. aureus.</figcaption></figure>
Überschreitet bei zunehmender Zelldichte die außerzelluläre AHL-Konzentration einen bestimmten Wert, aktiviert das Signalmolekül einen LuxR-Rezeptor. Der startet einen genetischen Regulationsprozess und schaltet damit spezifische Gene an oder aus. Dieser Prozess heißt Quorum Sensing.3,4)Das bekannteste AHL-gesteuerte Quorum-Sensing-System ist die Biolumineszenz von Vibrio fischeri, dem bakteriellen Symbionten des hawaiianischen Zwergtintenfischs Euprymna scolopes. Quorum-Sensing-Signale regulieren viele andere Vorgänge, darunter wie sich Bakterien koordinieren und Biofilme bilden (Abbildung 2A).5)<figure><img src="https://media.graphcms.com/95rH2RdOTVGTRve4PZfx"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Mikrobielle Biofilme: (A) Signalmoleküle steuern die Zelldichte und Interaktionen. Larven (B) oder Algensporen (C) werden von Signalmolekülen angelockt und besiedeln die Oberfläche. Mikroorganismen schützen sich vor (D) räuberischen Bakterien, (E) Protozoen oder (F) Pilzen durch antibiotische Naturstoffe.</figcaption></figure>
Artspezifische Quorum-Sensing-Signale sind zudem für die mikrobielle Pathogenese verantwortlich oder für die Symbiose mit Pflanzen in der Rhizosphäre, also der Wurzelumgebung im Boden. So schüttet das humanpathogene Bakterium Pseudomonas aeruginosa neben AHLs auch Alkylchinolone als Signalmoleküle aus, etwa 2-Heptyl-3-hydroxy-4-chinolon (9). Damit steuert es seine Virulenz.Ein weiteres Signalmolekül, das gramnegative wie grampositive Bakterien nutzen, ist Autoinducer2 (AI-2, (8)), ein Furanosylboratdiester. Auch AI-2 entsteht durch enzymatischen Abbau von (2). Dabei bildet sich in den ersten Stufen 4,5-Dihydroxy-2,3-pentadion (5), das über Zwischenstufen in einem chemischen Gleichgewicht spontan zum Furanosylester (8) und Stereoisomeren cyclisiert. Zudem spielen bei grampositiven Bakterien wie Staphylococcus aureus artspezifische modifizierte Oligopeptide wie (10) als Quorum-Sensing-Signale eine wichtige Rolle.<h2>Signalmoleküle regen Wachstum an</h2>Viele Bakterien produzieren neben intraspezifischen Signalstoffen auch solche, welche die Ansiedlung und Metamorphose, also die Umwandlung von meist motilen Sporen und Larven in die sessile Gestalt auslösen (Abbildungen 2B und C). Auch bei der Induktion von Algenwachstum an Schiffsrümpfen (Biofouling) dienen AHLs als Signal- und Lockstoffe, wie etwa bei der Grünalge Ulva intestinalis. Der Naturstoff Thallusin (11) (Abbildung 3) ist das einzige zurzeit bekannte bakterielle Signalmolekül, das die Morphogenese, also die Gestaltumwandlung von Algen induziert.6)<figure><img src="https://media.graphcms.com/6t9asypSOD8xuMXSxhiQ"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Signalmoleküle mariner Bakterien, die in Eukaryoten Morphogenese induzieren.</figcaption></figure>
Aus einer Pseudoalteromonas-Spezies ließ sich Tetrabromopyroll (12) isolieren, das unter anderem für die Morphogenese von Korallenlarven verantwortlich ist.7) Auch in anderen Modellorganismen wie dem Röhrenwurm Hydroides elegans oder dem Stachelpolypen Hydractinia echinata sind vermutlich bakterielle Signalmoleküle für die Morphogenese der beweglichen Larven in die sessile Polypenform verantwortlich, also die Form, die unfähig ist, sich aktiv fortzubewegen.8)Bestimmte bakterielle Sulfonolipide (13) lösen im Choanoflagellaten Salpingoeca rosetta Zelldifferenzierung aus und induzieren die Bildung rosettenförmiger Kolonien.9) Diese Umwandlung erlaubt den räuberischen Choanoflagellaten, Bakterien effizienter zu jagen.Weil Bakterien-Eukaryoten-Interaktionen so komplex sind, sind bis heute Struktur und Funktion vieler vermuteter morphogener Signalmoleküle noch nicht charakterisiert.<h2>Schützende Bakterien</h2>Bakterien kommunizieren nicht nur miteinander oder mit ihrem Wirt. Sie müssen sich auch gegen Nahrungskonkurrenten behaupten und produzieren deshalb Abwehrstoffe. Ähnlich agieren viele Bakterien, die in Symbiose mit Eukaryoten leben und ihren Wirt schützen, indem sie antimikrobielle Stoffe ausscheiden.In marinen Gewässern leben insbesondere Pseudoalteromonas-Spezies häufig auf Oberflächen von Algen und Wirbellosen. Sie produzieren Stoffe wie Tambjamin-Alkaloide (14), Alkylchinolinole (15), Violacein (16) oder Isatin (17) (Abbildung 4). Diese hemmen das Wachstum anderer Mikroorganismen, Algen und Wirbelloser.10)<figure><img src="https://media.graphcms.com/7gX8hKudRrmSk0S4Nvvy"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Aus marinen Bakterien isolierte Naturstoffe mit antibiotischen und algiziden Eigenschaften.</figcaption></figure>
Indem sie bakterielle symbiotische Mikroorganismen untersuchten, entdeckten Wissenschaftler viele antimikrobielle Naturstoffe.2,11) Eines der bekanntesten Beispiele stammt von Hertweck und Mitarbeitern: Der pflanzenpathogene Pilz Rhizopus microsporus beherbergt Endosymbionten (Burkholderia), welche die Toxine Rhizoxin (18) und Rhizonin A (19) (Abbildung 5) produzieren. Ursprünglich wurde vermutet, dass R. microsporus selbst diese Toxine bildet, um Nahrungskonkurrenten abzuhalten und die Substratzufuhr zu sichern.12)<figure><img src="https://media.graphcms.com/2gHgQ4arTZuqg6xMOdXE"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Aus bakteriellen (Endo-)Symbionten isolierte antimikrobielle Naturstoffe.</figcaption></figure>
Ein ähnliches Beispiel ist der Naturstoff Pederin (20), der erstmals aus Käfern der Gattung Paederus isoliert wurde. Käfer nutzen Pederin als Antibiotikum, um sich und ihre Eier und Larven vor Fressfeinden zu schützen. Tatsächlich produzieren aber symbiotische Bakterien (Pseudomonas sp.) diesen Naturstoff durch ein Hybrid aus Polyketid- und nichtribosomaler Peptidsynthetase (PKS/NRPS).13)Wie Studien an Grabwespen (Philanthus) von Kaltenpoth und Mitarbeitern zeigen, wachsen Streptomyceten in den Antennen und auf den Kokons der Nachkommen. Die Streptomyceten produzieren eine Mischung verschiedener Antibiotika wie Piericidin A1 (21) und das Indolderivat Streptochlorin (22), die vor schädlichen Mikroorganismen schützen. Wie sich diese Antibiotika räumlich auf den Kokons verteilen, zeigt bildgebende Massenspektrometrie.Durch chemisch-ökologische Untersuchungen an pilzzüchtenden Ameisen, Käfern und Termitenarten (Abbildung 6, S. 24) ließen sich weitere neue Antibiotika isolieren. Diese Insekten kultivieren in speziell gebauten Nestern einen symbiotischen Pilz, den sie als fast alleinige Nahrung aufnehmen (Abbildung 5). Auch andere Mikroorganismen wie parasitäre Pilze nutzen die nährstoffreiche Umgebung von Pilzgärten.<figure><img src="https://media.graphcms.com/toxojIDrSZejVySjuNeC"><figcaption><label>Abb. 6: </label>Mikrobielle Wechselwirkungen im System pilzzüchtende Insekten: Insekten (A) nutzen Pilzkultivare (B) als Nahrungsquelle. Mikrobielle Konkurrenten (C) werden durch antimikrobielle Stoffe von Kultivar (B), symbiotische Bakterien (D) oder Insekten (A) abgewehrt.</figcaption></figure>
Im Fall der Blattschneiderameise produzieren bakterielle Symbionten (Pseudonocardia) antimikrobielle Naturstoffe, etwa das cyclische Depsipeptid Dentigerumycin (23). Dentigerumycin wird durch ein PKS/NRPS-Hybrid biosynthetisiert und hemmt selektiv das Wachstum des Gartenschädlings Escovopsis, einen Pilz, der den Futterpilz der Ameisen verdrängen und abtöten kann.Der Borkenkäfer Dendroctonus frontalis schädigt Pinien, indem er seinen symbiotischen Futterpilz auf diese Bäume überträgt. Auf dem Käfer leben verschiedene Aktinobakterien, die antibiotisch wirkende Naturstoffe produzieren und selektiv das Wachstum des spezifischen pilzlichen Nahrungskonkurrenten Ophiostoma minus hemmen. Basierend auf Interaktionsassays isolierten Clardy und Mitarbeiter aus Aktinobakterien nicht nur die Polyketidverbindung Mycangimycin (25), die eine seltene Peroxygruppe aufweist. Sie klärten wenig später auch Struktur und Biosynthese verschiedener Frontalamidderivate wie (24) auf, welche gegen O. minus wirken. Die für die Biosynthese von (24) verantwortliche PKS-NRPS-Hybridanordnung wird iterativ aufgebaut, wie Genomanalysen zeigen. Dies war für Bakterien bisher nicht bekannt (Abbildung 7).<figure><img src="https://media.graphcms.com/1rNg9RYiSH29mWeOTcXt"><figcaption><label>Abb. 7: </label>Naturstoffe aus räuberischen Bakterien.</figcaption></figure>
Bei pilzzüchtenden Termiten nehmen Bacillus-Spezies eine wichtige Abwehrrolle ein, da diese vornehmlich Bacillaen (26) produzieren. Bacillaen hemmt das Wachstum antagonistisch agierender Pilze (Abbildung 8).14)<figure><img src="https://media.graphcms.com/DGcsk223RQGRbwqpZSCU"><figcaption><label>Abb. 8: </label>Symbiotische (grün) und prädatorische (rot) Wechselwirkungen zwischen P. gallaeciensis und der Alge E. huxleyi.</figcaption></figure>
<h2>Freund oder Feind?</h2>Räuberische Bakterien wie Myxobakterien oder Vertreter von Lysobacter und Herpetosiphon töten ihre Beute, ebenfalls Bakterien, durch koordiniertes Gruppenverhalten, indem sie kumuliert antibiotische Substanzen absondern – etwa Myxovirescin A1 (27) oder Gulmirecine (Gulmirecin A, (28)).15)Der bakterielle Symbiont Phaeobacter gallaeciensis der Alge Emiliania huxleyi spielt ein komplexes Symbiose-Räuber-Wechselspiel: Unter symbiotischen Wachstumsbedingungen sekretiert P. gallaeciensis das Auxin Phenylessigsäure (30) und das antibiotische Troponderivat (31). Damit fördert er das Algenwachstum und wehrt potenzielle Fressfeinde ab. Ist E. huxleyi geschwächt, setzt sie para-Hydroxyzimtsäure (32) frei. Das regt P. gallaeciensis an, die algiziden Troponoidderivate Roseobacticides (33) bis (35) zu produzieren. Diese Stoffe beschleunigen die Lyse von E. huxleyi und setzen damit wertvolle Nährstoffe frei,16) die P. gallaeciensis verwendet. P. gallaeciensis agiert damit sowohl als Symbiont als auch als Parasit. Wie in vielen anderen Fällen regulieren artspezifische AHLs die Biosynthese dieser Troponoidsekundärmetabolite.<h2>Ausblick</h2>Da viele Krankheitserreger mittlerweile resistent gegen gängige Antibiotika sind und sich diese Organismen schnell und weltweit verbreiten, steigt der Bedarf an neuen antibiotischen Wirkstoffen. Mikrobielle Interaktionen zu untersuchen, ist eine einzigartige Möglichkeit, intrinsisch aktive Naturstoffe und ihre biologischen Funktionen zu entdecken. Solche Studien liefern zudem Informationen über Biotransformationen, Regulationsmechanismen und Rezeptoren der Mikroorganismen.<h2>Quergelesen</h2>Viele gramnegative Bakterien nutzen N-Acylhomoserinlactone als Signalmoleküle, um miteinander zu kommunizieren.Um sich gegen Nahrungskonkurrenten zu behaupten, produzieren Bakterien Abwehrstoffe. Diese eignen sich möglicherweise als Antibiotika für den Menschen.Zusammen mit der Strukturaufklärung der Signalmoleküle geben Funktions- und Genomanalysen Aufschluss über Biosynthese und ökologische Funktion dieser Stoffe.René Benndorf, Jahrgang 1986, studierte an der Universität Leipzig Biologie und promoviert in der Nachwuchsgruppe von Christine Beemelmanns. Er untersucht symbiotische Bakterien pilzzüchtender Termiten auf ihre naturstoffchemisches Potenzial.<div><img src="https://media.graphcms.com/OhcoocQDue8yfysMhOcQ">

</div>Daniel Leichnitz, Jahrgang 1990, studierte von 2009 bis 2014 Chemie an der FU Berlin mit einem Schwerpunkt in Synthesechemie. Seit 2015 promoviert er in der Gruppe von Christine Beemelmanns auf dem Gebiet der Synthese mikrobieller Signalmoleküle.<div><img src="https://media.graphcms.com/RffxwBOMQhmZYcEjDzD3">

</div>Maja Rischer, Jahrgang 1989, studierte Mikrobiologie an der Universität Jena und promoviert seit 2014 in der Gruppe von Christine Beemelmanns. Ihre Forschung beschäftigt sich mit dem Einfluss von Bakterien auf den Lebenszyklus mariner Invertebraten sowie ihrem biochemischen Potenzial.<div><img src="https://media.graphcms.com/KsvvpHB7TG2kDZ1jH3A0">

</div>Christine Beemelmanns, Jahrgang 1981, leitet seit 2014 die Nachwuchsgruppe Chemische Biologie der Mikroben-Wirt-Interaktionen am Leibniz-Institut für Naturstoffforschung und Infektionsbiologie in Jena. Ihre Arbeiten widmen sich der Isolierung, Totalsynthese und Charakterisierung von Struktur-Aktivitätsbeziehung mikrobieller Naturstoffe. <email><a href="mailto:christine.beemelmanns@hki-jena.de">christine.beemelmanns@hki-jena.de</a></email><div><img src="https://media.graphcms.com/UtLYgqZdSWyQfBjpZSUa">

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1 L. Keller, M. G. Surette, Nat. Rev. Microbiol. 2006, 4, 249–258.</li><li>
2 C. Beemelmanns, H. Guo, M. Rischer, M. Poulsen, Beilstein J. Org. Chem. 2016, 12, 314–327.</li><li>
3 A. Camilli, B. L. Bassler, Science 2006, 311, 1113–1116.</li><li>
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5 H. Dang, C. R. Lovell, Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2015, 80, 91–138.</li><li>
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