Über 8.000 unentschlüsselte Baupläne
Für ihre Analyse untersuchten die Forschenden des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse“ der Universität Jena, der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, der University of Delaware und des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig Torfproben aus dem Schlöppnerbrunnen-Moor im bayerischen Fichtelgebirge. Mithilfe von Hochdurchsatz-Sequenzierungen und Metagenomik analysierten sie das Erbgut der dortigen Mikrobengemeinschaft und identifizierten knapp 9.700 sogenannte biosynthetische Gencluster – Abschnitte der DNA, die Bauanleitungen für die Herstellung biologisch aktiver Verbindungen enthalten.
Selbst nachdem das Team unvollständige Genfragmente aussortiert hatte, blieben noch mehr als 8.000 verlässliche Gencluster übrig. Das Überraschende daran: Etwa 97 Prozent ließen sich in weltweiten Datenbanken keiner bisher bekannten Gencluster-Familie zuordnen. Sie stellen somit eine weitgehend unkartierte biochemische Landschaft dar.
„Schon ein kleines Moor beherbergt eine erstaunliche Vielfalt an Bauplänen für Naturstoffe. Viele stammen von Mikroorganismen, die im Labor bisher nur schwer zu untersuchen sind“, erläutert Erstautor Zander Human von der Universität Jena.
Nicht jeder genetische Bauplan wird genutzt
Ein Bauplan in der DNA eines Bakteriums bedeutet allerdings nicht automatisch, dass der entsprechende Stoff in der Natur auch gebildet wird. Das Team ging deshalb einen Schritt weiter und analysierte die gemessene Boten-RNA (mRNA), um zu untersuchen, welche Gene im Moor tatsächlich aktiv waren.
Das Ergebnis stellt bisherige Annahmen auf den Kopf: Nur etwa 9 bis 27 Prozent der untersuchten Gencluster waren in ihrer natürlichen Umgebung überhaupt aktiv. Einige Bakteriengruppen mit besonders großem genetischem Potenzial – mit teils über 20 verschiedenen Bauplänen in ihren Genomen – blieben im Moor weitgehend inaktiv.
Stattdessen erwiesen sich als Acidobacteriota bekannte Bakterien als am aktivsten. Obwohl ihre genetischen Repertoires vergleichsweise bescheiden waren, machten sie etwa zwei Drittel der gemessenen Signale von Naturstoffgenen aus. Die Daten zeigten zudem ein klares Muster: Die Aktivität dieser Gene bei den Acidobacteriota war besonders hoch, wenn gleichzeitig Gene für Enzyme aktiv waren, die komplexes Pflanzenmaterial abbauen. Die Naturstoff-Biosynthese scheint bei diesen Bakterien daher eng mit der Nährstoffaufnahme gekoppelt zu sein.
„Die Zahl der Baupläne allein verrät uns wenig darüber, was ein Mikroorganismus in seinem Lebensraum tatsächlich macht. Wir müssen auch die Bedingungen verstehen, unter denen er diese Gene einschaltet“, betont Mitautor Dr. Carl-Eric Wegner von den Universitäten Jena und Düsseldorf.
Mikrobielle Balance im Moor verstehen
Die Ergebnisse fügen sich nahtlos in den Forschungsschwerpunkt des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse“ ein, der erforscht, wie mikrobielle Gemeinschaften miteinander interagieren und das Gleichgewicht in komplexen Ökosystemen aufrechterhalten.
„Moore sind dynamische Lebensräume mit steilen Umweltgradienten, beispielsweise beim Sauerstoffgehalt und der Nährstoffverfügbarkeit. Unsere Studie zeigt deutlich, dass die Naturstoff-Biosynthese nicht isoliert stattfindet, sondern eng in die Rolle der Mikroorganismen in biogeochemischen Kreisläufen komplexer Systeme eingebunden ist“, erklärt Prof. Dr. Kirsten Küsel, Co-Autorin der Studie und Sprecherin des Exzellenzclusters.
Ein neuer Blickwinkel für die pharmazeutische Forschung
Für die Suche nach künftigen Arzneistoffen liefert die Studie eine wichtige Erkenntnis: Es reicht nicht aus, sich bei der Suche ausschließlich auf Genome mit besonders vielen genetischen Bauplänen zu konzentrieren. Entscheidend ist der ökologische Kontext, in dem Mikroorganismen ihr genetisches Werkzeug tatsächlich einsetzen. Bisher vernachlässigte Gruppen wie die Acidobacteriota rücken damit rasant in den Fokus der Naturstoffforschung.
Neue Impulse für die Wirkstoffsuche der Zukunft
Die Erkenntnisse haben weitreichende Konsequenzen für die pharmazeutische Biotechnologie und die gezielte Suche nach neuen Wirkstoffkandidaten. Die Naturstoffforschung konzentrierte sich traditionell vor allem auf das Genom-Screening bekannter Bakteriengruppen wie Aktinobakterien und Pseudomonaden, die umfangreiche Bibliotheken biosynthetischer Gene besitzen.
Wie die aktuelle Studie zeigt, können diese vermeintlich talentierten Produzenten in ihrer natürlichen Umwelt jedoch weitgehend stumm bleiben. Für die Praxis bedeutet das ein Umdenken: Um stille Gencluster im Labor zu aktivieren, müssen Forschende künftig gezielt ökologische Reize aus dem natürlichen Lebensraum der Organismen nachahmen – etwa durch die Bereitstellung komplexer Pflanzenfasern oder spezifischer Nährstoffsignale.
Auch bisher vernachlässigte und im Labor schwer kultivierbare Gruppen wie die Acidobacteriota rücken in den Mittelpunkt. Ihre systematische Erforschung könnte den Zugang zu völlig neuartigen Molekülklassen eröffnen und künftig neue Wege im Kampf gegen antimikrobielle Resistenzen oder schwere Entzündungskrankheiten bieten.
Universität Jena
Originalpublikation:
Human, Z. R., Hoover, R., Chan, C., Küsel, K. & Wegner, C.-E. (2026). High diversity but limited expression of biosynthetic gene clusters in a peatland microbial community. Nature Communications, 17, 10529. https://www.nature.com/articles/s41467-026-78121-8
