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Elektronenmikroskopische Aufnahme einer abgebrochenen
Pflanzenfaser. Die Bruchstelle 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/Lünsdorf
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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 Forschung am Metagenom des Pansens hat
wichtige Vorarbeiten für dieses Projekt geleistet."
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
Übereinkünfte zwischen ViaLactia Biosciences und den beteiligten
Forschungsinstituten vermittelte die Ascenion GmbH, die
Patentmanagement-Agentur mehrerer deutscher Forschungszentren.
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