8. Sep 2013

Neu geschaffener Stoffwechsel: Bakterien verarbeiten Fluor

Eine Manipulation des Genoms verleiht Darmbakterien eine außergewöhnliche Fähigkeit – das Element Fluor in organische Verbindungen einzubauen. Ein großer Erfolg der synthetischen Biologie, denn diesen Stoffwechselweg gibt es in der Natur nicht. Auch die Hersteller von Medikamenten wird es freuen: Fluor verleiht vielen Wirkstoffen besondere Eigenschaften.

Fluor ist ein stark ätzendes Element, und auch nach Einbau in Biomoleküle bleibt es meist hochgiftig. Da verwundert es nicht, dass fast kein Lebewesen auf der Erde mit Fluor umgehen kann. Die einzige bekannte Ausnahme, das Bodenbakterium Streptomyces cattleya, stellt nur eine kleine Zahl von einfachen Substanzen her, die Fluor und Essigsäure verknüpfen. Komplexere organische Verbindungen mit Fluor scheint es in der Natur nicht zu geben.

Organische Fluor-Verbindungen sind aber sehr begehrt, da sie Medikamenten vorteilhafte Eigenschaften verleihen. Sie bleiben im Körper länger wirksam, da Verdauungsenzyme die Fluor-Verbindungen nicht aufbrechen können. Zusätzlich hilft Fluor den Medikamenten, die Lipidschicht der Zellmembran zu überwinden, und verbessert so die Aufnahme in die Zelle. Doch auch die Chemiker der Pharmaindustrie konnten bislang nur kleinere Substanzen mit Fluor veredeln, bei komplexen Verbindungen blieb ihnen der Erfolg verwehrt.

Wo Natur und Pharmaindustrie scheitern, haben synthetische Biologen jetzt eine Lösung gefunden. Wissenschaftler der Universität von Kalifornien in Berkeley setzten aus bekannten Bausteinen einen neuen Stoffwechselweg zusammen. Grundlage war das Darmbakterium E. coli, ein wohl erprobtes Arbeitspferd der synthetischen Biologie. Diesem wurde Gene hinzugefügt, die für die Herstellung von Polyketiden – einer wichtigen Klasse von Naturstoffen – verantwortlich sind. Gleichzeitig wurde ein natürliches Gen von E. coli abgeschaltet.

Das veränderte Bakterium konnte nun zweierlei Dinge: Erstens produzierte es ein Fluor versehene Variante des Stoffwechsel-Bausteins Malonyl-CoA, der die Grundlage für die Biosynthese von Polyketiden bildet. Zweitens konnte es dieses Fluor-Malonyl-CoA in ein einfaches Polyketid einbauen – und zwar an genau definierten Positionen. Das hört sich wenig spektakulär an, ist aber bei näherer Betrachtung ein immenser Fortschritt: Die Substanzklasse der Polyketide umfasst wichtige Antibiotika und Krebsmittel. Und deren Bedeutung für die Medizin brauch man nicht extra zu betonen.

In diesem Versuch verwirklicht sich das Kernanliegen der synthetischen Biologie: Der Natur neue Stoffwechselvorgänge aufzuzwingen, die dem genveränderten Organismus keine Vorteile bringen, aber die Produktion von Medikamenten und anderen nützlichen Substanzen erlauben. Die Herstellung des Malariamittels Artemisin war bislang das große Aushängeschild der synthetischen Biologie. Die Fluor-Polyketid-Synthese könnte ihr bald den Rang ablaufen.

Noch ist es ein weiter Weg, bis eine neue Klasse von Fluor-enthaltenden Wirkstoffen erzeugt werden kann. Doch das Potential ist gewaltig: Drei der zehn meistverkauften Medikamente enthalten Fluor als wichtigen Bestandteil. Die Naturstoff-Medizin könnte dank der Fluor-Polyketid-Synthese – und der synthetischen Biologie – eine gewaltigen Schub erhalten.

Quellen:
R. Service, Science 2013: Fluorine-Adding Bacteria May Transform Natural Product Medicines

Walker et al., Science 2013: Expanding the Fluorine Chemistry of Living Systems Using Engineered Polyketide Synthase Pathways Mark

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.