Mikrobielle Wirkstoffe

Die meisten medizinisch relevanten Antibiotika oder ihre Produktionsvorstufen werden von Mikroorganismen wie Bakterien und filamentösen Pilzen gebildet. Trotz intensiver weltweiter Suche nach alternativen Quellen für Antiinfektiva konnte kein anderes Konzept die erfolgreiche Strategie übertreffen, mikrobielle Wirkstoff-Prinzipien gegen Infektionskrankheiten einzusetzen. Die bedrohlich zunehmende Resistenzbildung der Krankheitserreger gegen bewährte Antibiotika und immer neue Infektionserkrankungen erfordern, wieder stärker nach besseren Wirkstoffen aus Mikroorganismen und Pilzen zu suchen.

Leitung

Naturstoffchemie

Wenn die Mikrobiologen eine biologische Aktivität in einem Myxobakterium oder Pilz entdeckt haben, wird der Extrakt von den Chemikern durch eine Kopplung von Hochleistungs-Flüssigchromatographie (HPLC), UV-Vis-Spektroskopie mit Diodenarray-Detektion (DAD) und Massenspektrometrie (LC-MS) zunächst auf eventuell in Datenbanken registrierte Antibiotika untersucht (Dereplikation). Ist diese Substanz nicht registriert, wird sie als Reinstoff aus dem biologisch aktiven Extrakt herausisoliert.

Proben des gereinigten Antibiotikums werden danach an die Mikrobiologie zur weiteren Untersuchung zurückgegeben und dort in verschiedenen Screeningsystemen auf bislang unbekannte Wirkungen untersucht. Gleichzeit klären die Chemiker die neuen Strukturen mit Hilfe von Ultraviolett- (UV), Infrarot-, Massen- (MS) und Kernresonanz-Spektren (NMR) auf.

Beispiel Elansolid

Schaubild Elansolid A
Abbildung 1. Strukturen von Elansolids A1 (1), A2 (1*) und A3 (2)

Beispielsweise wurde aus dem gleitenden Bakterium Chitinophaga sancti erstmals ein Makrolakton, das Elansolid A1 (1) isoliert. Aus spektroskopischen Daten wurden die Summenformel C37H48NO6 und die Strukturformel hergeleitet. Später wurde ein zweites Elansolid A2 (1*) isoliert, für das überraschenderweise die gleiche Struktur bestimmt wurde (siehe Abbildung 1). Erst die detaillierte Auswertung der NMR-Daten und die Berechnung der möglichen 3D-Strukturen führten zu dem ungewöhnlichen Ergebnis, dass die beiden (1/1*) als Konformationsisomere (Atropisomere) vorliegen, in denen der Laktonring in zwei verschiedenen Faltungen fixiert ist (siehe Abbildungen 2 und 3).

3D-Model der Konformation von Elansolid A1
3D-Model der Konformation von Elansolid A1 (1).
3D-Model der Konformation von Elansolid A2
3D-Model der Konformation von Elansolid A2 (1*).

HPLC-UV-MS Analysen besonders schonend, unter wasserfreien Bedingungen hergestellter Extrakte deckten die Existenz eines dritte IsomerenC37H48NO6 auf, das Elansolid A3 (2), das sich sehr leicht in die Atropisomeren 1 und 1* aber auch in weitere Produkte umwandelte. Seine Strukturaufklärung ergab einen geöffneten Laktonring und einen ungewöhnlichen Chinonmethid-Baustein (siehe Abbildung 1). Chinonmethide sind chemisch sehr reaktionsfähige Moleküle, die leicht Wasser, Amine, Alkohole u. a. addieren. Als Biosyntheseprodukt würde man ein derartiges Molekül eigentlich nicht erwarten. Tatsächlich wurde genau dies durch die genetische Aufklärung der Biosyntheseschritte (in Kooperation mit der Abteilung MINS) bewiesen.

Unsere chemischen Studien zeigten dann, dass sich diese drei Moleküle unter milden Bedingungen gegenseitig ineinander umwandeln können. Aus den Makroliden A1 und A2 (1 und 1*) war sogar das reaktivere Chinonmethid A3 (2) wieder rückgewinnbar. Mit dessen Reaktivität konnte dann auch das Auftreten unnatürlicher Elansolide als Additions- oder Umlagerungsprodukte erklärt werden – ebenso wie die gleiche antibiotische Aktivität von Makrolid und Chinonmethid.

Herstellung vielversprechender Substanzen

Kristallines Disorazol im Labor
Filtration von kristallinem Disorazol Z aus einem Rohextrakt.

Werden besonders gute Wirkstoffe für eine weitere Entwicklung im Pharma- oder Agrobereich benötigt, wie bei den Krebswirkstoffen Epothiolon und Disorazol, dem Antibiotikum Sorangicin oder dem antifungischem Soraphen werden diese nach biologischer und chemischer Verfahrensoptimierung bei uns im Grammmaßstab (50 – 100 g) fermentativ hergestellt und isoliert. Die Produkte werden dann externen Kooperationspartnern für die Weiterentwicklung, z.B. zur Wirksamkeitsverbesserung durch chemische Derivatisierung zur Verfügung gestellt, und in präklinischen Untersuchungen oder Feldversuchen charakterisiert.

Gereinigtes Disorazol im Labor
Abbildung 5. Für pharmazeutische Versuche gereinigtes Disorazol.

Thema: Neue Wirkstoffe aus Pilzen

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    Wirksame Antibiotika sind Voraussetzung für viele moderne medizinische Behandlungen. Um dem Aufkommen von antimikrobiellen Resistenzen entgegen zu wirken, suchen Wissenschaftler:innen nach Angriffspunkten bei Bakterien, Pilzen und Viren, an denen neue Wirkstoffe ansetzen können, um die Vermehrung der Erreger zu verhindern, sie zu zerstören oder unschädlich zu machen. Chlorotonile sind natürliche Wirkstoffe aus Bodenbakterien, die sowohl gegen Malaria als auch gegen resistente Erreger wirksam sind. Die Optimierung des Wirkstoffs wird fortgesetzt, bis er in präklinischen und klinischen Studien eingesetzt werden kann, bevor er schließlich auf den Markt kommt. Die wichtigsten Entwicklungs- und Produktionsschritte erklären Wissenschaftler.innen des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) und des Helmholtz-Instituts für Pharmazeutische Forschung (HIPS), einem Standort des HZI in Kooperation mit der Universität des Saarlandes, in diesem Video.

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