Pandoracheline sind Naturstoffe, die von Bakterien der Gattung Pandoraea produziert werden und zur Gruppe der Siderophore gehören. Das sind Moleküle, mit deren Hilfe Bakterien lebensnotwendiges Eisen aus ihrer Umgebung binden und aufnehmen. Dem Forschungsteam aus Jena gelang es nun, nachzuweisen, dass diese Moleküle weit mehr sind als reine „Eisenfänger“. Durch einen enzymatischen Umbau verändert sich ihre Struktur und damit auch ihre biologische Funktion. Diese Transformation könnte den Bakterien dabei helfen, sich besser an ihre jeweilige Umwelt anzupassen.

„Wir haben entdeckt, dass bestimmte Bakterien ein Peptid mit nur minimalen Veränderungen in ein anderes Peptid umwandeln können – und damit dessen Funktion komplett neu ausrichten: Während das eine Molekül den Bakterien bei der Fortbewegung hilft, fängt das andere Eisen besonders effizient ein“, erklärt Elena Herzog, Erstautorin der Studie. „Diese erstaunliche Umwandlung zeigt, wie geschickt Bakterien ihre molekularen Werkzeuge anpassen können, um unterschiedlichen Anforderungen in ihrer Umwelt zu begegnen.“

Herzog führte die Arbeiten im Rahmen ihrer Promotion gemeinsam mit dem Postdoktoranden Keishi Ishida unter Leitung von Christian Hertweck, Abteilungsleiter am Leibniz-HKI und Professor an der Friedrich-Schiller-Universität Jena, durch.

Auf der Suche nach einem fehlenden Baustein

Erste bioinformatische Analysen hatten das Forschungsteam zu der Annahme geführt, dass Pandoraea-Bakterien ein Peptid mit einer anhängenden Fettsäure produzieren. Als Ishida und Herzog den neu entdeckten Naturstoff, genannt Pandorachelin A, genauer analysierten, stellten sie jedoch überrascht fest: Von der erwarteten Fettsäure fehlte jede Spur.

Die Suche nach diesem fehlenden Baustein führte die Forschenden schließlich zu Pandorachelin B: einem sogenannten Lipocyclopeptid.

Wenn B zu A wird

Die Untersuchungen brachten entscheidende Strukturunterschiede zwischen Pandorachelin A und B ans Licht: Es zeigte sich, dass Pandorachelin B die Vorstufe von Pandorachelin A ist – „B wird zu A“. Ermöglicht wird diese Umwandlung durch ein mikrobielles Enzym: eine sogenannte Acylase namens PdnM. Es trennt den Lipidschwanz von Pandorachelin B ab und setzt damit einen entscheidenden Umbau des Moleküls in Gang: Anfang und Ende der Peptidkette verbinden sich zu einem geschlossenen Molekülring, es entsteht eine sogenannte „Kopf-Schwanz-Verknüpfung“.

Diese molekulare Umstrukturierung verändert jedoch nicht nur die räumliche Gestalt des Moleküls, sondern auch seine biologische Funktion:

• Pandorachelin A kann Eisen effektiver binden als Pandorachelin B.
• Pandorachelin B besitzt oberflächenaktive Eigenschaften, die den Bakterien beim sogenannten Schwärmen helfen: eine Form der Fortbewegung, mit der sich Bakterien auf Oberflächen ausbreiten.

Die Arbeitsgruppe um Hertweck untersuchte daraufhin, welchen Vorteil diese Umwandlung für die Bakterien haben könnte.

Eine ausgeklügelte Überlebensstategie

Pandoraea-Arten sind sehr anpassungsfähige Bakterien, die unter vielen unterschiedlichen Bedingungen leben und Resistenzen gegen Antibiotika entwickeln können. Der Name Pandoraea verweist auf den griechischen Mythos der Büchse der Pandora, die nach ihrer Öffnung Gefahren über die Welt brachte. Ebenso sind manche Pandoraea-Bakterien opportunistische Krankheitserreger, die besonders für Menschen mit geschwächtem Immunsystem gefährlich werden können.

Für ihre Untersuchungen analysierten die Forschenden fünf Pandoraea-Arten aus aller Welt, die aus Seesediment, Bodenproben sowie aus menschlichem Schleim (Sputum) isoliert worden waren.

Hier stießen die Forschenden auf eine ausgeklügelte Strategie: Die Aktivität des Enzyms PdnM kann das Mengenverhältnis der gebildeten Pandoracheline A und B offenbar so beeinflussen, dass es besser zur unmittelbaren Umgebung der Bakterien passt. Im Stamm aus dem Seesediment fanden sie beispielsweise ausschließlich Pandorachelin A. Im Stamm aus einer Bodenprobe wurden dagegen sowohl Pandorachelin A als auch B nachgewiesen.

Eine mögliche Erklärung: Im Wasser fällt es Bakterien ohnehin leicht, sich frei schwimmend fortzubewegen, während sie in nicht-wässrigen Umgebungen womöglich auf die zusätzliche Fortbewegungshilfe durch Pandorachelin B angewiesen sind. Für Ishida ist dies ein faszinierendes Beispiel dafür, wie sich Bakterien an ihre Umwelt anpassen, um ihr Überleben zu sichern.

Was wir von Bakterien lernen können

Die neuen Erkenntnisse könnten langfristig auch für das Verständnis und die Behandlung von Infektionen durch Pandoraea-Bakterien relevant sein.

„Bakterien sind bemerkenswerte Chemiker und wir können noch viel von der Art und Weise lernen, wie sie Moleküle herstellen und umwandeln“, sagt Herzog. „Solche Erkenntnisse könnten künftig neue Ansätze inspirieren – von der Wirkstoffverabreichung bis hin zu nachhaltigeren chemischen Verfahren.“

Förderung

Die Forschungsarbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs ChemBioSys sowie durch den Exzellenzcluster “Balance of the Microverse” gefördert.