Bereits 2021 zeigte Pierre Stallforth mit seinem Team vom Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie (Leibniz-HKI), dass sich Bakterien der Gattungen Pseudomonas und Paenibacillus zusammentun, um sich so gemeinsam vor ihrem Fressfeind, einer Amöbe, zu schützen. Nun konnte ein von Pierre Stallforth, Ute Hellmich und Markus Lakemeyer geleitetes Team zeigen, wie dieser Verteidigungsmechanismus genau aussieht. Die Studie wurde im Exzellenzcluster Balance of the Microverse der Universität Jena durchgeführt und erschien soeben im renommierten Fachjournal JACS.
Analyse auf molekularer Ebene
Die Kooperation der beiden Bakterien Pseudomonas sp. SZ40und Paenibacillus sp. SZ31beruht auf einem Naturstoff, einem Lipopeptid namens Syringafactin. Es wird von Pseudomonas produziert, jedoch erst durch eine von Paenibacillus verursachte Modifikation für die Amöbe gefährlich. Paenibacillus spaltet das Lipopeptid an einer ungewöhnlichen Stelle mittels zweier besonderer Enzyme, sogenannten DL-Peptidasen. Dabei entsteht aus dem Syringafactin ein für die Amöbe toxischer Stoff.
„Für mich war es sehr spannend, den Mechanismus zu verstehen, mit dem die besondere Stoffklasse der DL-Lipopeptide gespalten wird und wie das in der Interaktion von Mikroben nutzbar wird“, berichtet Hellmich. Denn das Besondere an diesen Naturstoffen ist ihre ungewöhnliche Angriffsstelle in der räumlichen Struktur der Lipopeptide. „Aminosäuren sind in der Natur normalerweise L-konfiguriert und deswegen sind die meisten Enzyme auch darauf spezialisiert, diese Variante zu spalten“, erzählt Stallforth. D- und L-Formen unterscheiden sich nur in ihrer Symmetrie, es sind spiegelbildliche Moleküle, ihre Atomzusammensetzung ist gleich. „Das heißt, für viele Analysenmethoden sehen beide Moleküle gleich aus, auch wenn wir natürlich wissen, dass es einen Riesenunterschied macht, ob wir die linke oder die rechte Hand nehmen“, illustriert Hellmich.
Multifunktionale Spielmechanik
Bei dieser Modifikation handele es sich nicht um einen Einzelfall, sondern es scheine ein genereller, wenn auch sehr spezifischer Mechanismus zu sein, so Stallforth. „Diese Enzyme sind so interessant, weil wir mit ihnen auch die Struktur komplexer Naturstoffe aufklären können, indem wir sie ganz selektiv in kleinere Fragmente unterteilen.“ „Und das erleichtert uns und anderen Gruppen in Zukunft die Analyse neuer Naturstoffe“, ergänzt Lakemeyer. Eine große Hilfe für die Entwicklung neuer Naturstoff-basierter Antiinfektiva.
Ein Traum
Wie die Bakterien, so arbeitete auch das Forschungsteam ganz organisch zusammen, wie Hellmich schwärmt. So, wie eine einzelne Bakterienart nicht gegen die Amöbe ankommt, brauchen auch die Forschenden Zusammenarbeit und Interdisziplinarität. „Einzeln hätte niemand von uns diese Fragestellung in dieser Art und Weise bearbeiten können“, beschreibt Hellmich die Situation. „Hier in Jena konnten wir von den kleinen Naturstoffen über Proteinstrukturen in Zellen bis in den ökologischen Kontext gehen und hatten auch noch eine Anwendung in der Biotechnologie.“ Das sei einzigartig. „So etwas wie in Jena habe ich an keinem anderen Standort erlebt“, ergänzt Lakemeyer. „Es macht einfach Spaß, wenn man aus verschiedenen Blickwinkeln auf das gleiche Problem schauen kann und dann auch noch tolle Kollegen hat.“
Die Studie war eine Kooperation des Leibniz-HKI mit den Universitäten Jena und Würzburg. Beteiligte Forschungsverbünde waren der Exzellenzcluster Balance of the Microverse und der Sonderforschungsbereich ChemBioSys.
Besonders in der lokalen Zusammenarbeit zeigte sich die reizvolle Dynamik eines Spiels am Tisch statt der digitalen Version denn: „Da kann man sich auch mal sonntags gemeinsam ins Café setzen und sagen ‚Wir müssen jetzt die Daten analysieren“, beschreibt Lakemeyer seine Begeisterung für die kollegiale Zusammenarbeit der Forschenden in Jena.
Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie
Originalpublikation:
Zhang S, Huang Y, Schlabach K, Tran M A, Nachawati R, Bader N, Komor A J, Hertweck C, Schindelin H, Lakemeyer M,*Hellmich U A,*and Stallforth P* (2026) Microbial DL-Peptidases Enable Predator Defense and Facilitate Structure Elucidation of Complex Natural Products. JACS. https://doi.org/10.1021/jacs.5c17955
