WSR066-Die unentdeckte Vielfalt der Aktinomyceten: Neue Wege zur Synthese von Wirkstoffen - Interview mit Prof. Dr. Yvonne Mast

Wirkstoffradio (MP3 Feed)

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Das Wirkstoffradio ist ein Wissenschaftskommunikationsprojekt aus dem Leibniz-Forschungsinstitut f\u00fcr Molekulare Pharmakologie (FMP) und wird gef\u00f6rdert durch das Leibniz Forschungsnetzwerk Wirkstoffe und Biotechnologie.","poster":"https:\/\/www.wirkstoffradio.de\/podlove\/image\/68747470733a2f2f7777772e7769726b73746f6666726164696f2e64652f77702d636f6e74656e742f75706c6f6164732f323031382f30392f5769726b73746f6666726164696f5f4c6f676f5f6c616e672d3330303078333030305f63726f707065645f626c756542472e706e67\/500\/0\/0\/wirkstoffradio","link":"https:\/\/www.wirkstoffradio.de"},"title":"WSR066 Die unentdeckte Vielfalt der Aktinomyceten: Neue Wege zur Synthese von Wirkstoffen - Interview mit Prof. Dr. Yvonne Mast","subtitle":"In dieser Episode erkl\u00e4rt Prof. Dr. Yvonne Mast, wie die Aktivierung stiller Synthesegencluster bei Aktinomyceten die Produktion neuer Wirkstoffe reguliert. 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In dieser Episode spricht Bernd Rupp mit Prof. Dr. Yvonne Mast, Leiterin der Abteilung Bioressourcen für Bioökonomie und Gesundheitsforschung am Leibniz-Institut DSMZ – Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH in Braunschweig.

Prof. Dr. Yvonne Mast; Quelle: Wirkstoffradio.

Yvonnes Forschung konzentriert sich auf die Kultivierung von Aktinomyceten bzw. Streptomyzeten, einer großen Familie von Organismen, die als Quelle verschiedener Wirkstoffe bekannt sind. Die Gruppe um Yvonne untersucht insbesondere die Regulation sogenannter stiller Synthesegencluster und deren Aktivierung. Yvonne erklärt, dass bei der klassischen Kultivierung dieser Organismen oft nur 10% der aktuell bekannten Synthesegencluster aktiv sind, was auf ein immer noch großes unbekanntes Potential neuer faszinierender Wirkstoffe bei diesen Organismen hinweist.

Durch ihre Arbeiten konnte das Team um Yvonne diese bereits seit langem bekannten Organismen dazu anregen, neue spannende Substanzen zu produzieren. Dadurch rückt diese Gruppe von Organismen wieder stärker in den Fokus der Forschung zu neuen Antibiotika und anderen Substanzen.

(Im Podcast gibt es Kapitelmarken, die den Zwischenüberschriften hier im Text entsprechen, so dass es einfacher ist, bestimmte Teile erneut zu hören. Nicht jede Kapitelmarke hat eine Zwischenüberschrift, manchmal fassen wir mehrere Kapitel zusammen.)

Was sind Aktinomyceten?

• • Aktinomyceten – Wikipedia Artikel
  • Review zu SARPS; wissenschaftlicher Artikel (open access): Krause J, Handayani I, Blin K, Kulik A, Mast Y. Disclosing the Potential of the SARP-Type Regulator PapR2 for the Activation of Antibiotic Gene Clusters in Streptomycetes. Front Microbiol. 2020 Feb 18;11:225. doi: 10.3389/fmicb.2020.00225. PMID: 32132989.
    PMCID: PMC7040171
  • Review zu SARPS: wissenschaftlicher Artikel (closed access): An overview on transcriptional regulators in Streptomyces; Alba Romero-Rodríguez, Ivonne Robledo-Casados, Sergio Sánchez, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Gene Regulatory Mechanisms,
    1849(8), 2015. Die Studie befindet sich leider hinter einer Paywall, ist also nur für diejenigen zugänglich, die ein Abo der entsprechenden Fachzeitschrift haben. Daher werden wir nicht direkt auf den Artikel verlinken, sondern stellen euch den „Digital Object Identifier (DOI)“ zur Verfügung: 10.1016/j.bbagrm.2015.06.007
  • Agarplatte – DocCheck Flexikon
  • Geosmin – Wikipedia Artikel
  • Streptomyces – Wikipedia Artikel

Unterschiedliche Aktinomyceten auf Agarplatten; Quelle: Wirkstoffradio.

Aufgaben der Aktinomyceten

• • Kompostierung – Wikipedia Artikel
  • sessil – Spektrum der Wissenschaft
  • wissenschaftlicher Artikel (closed access): Barka EA, et al. Microbiol Mol Biol Rev. 2015. Taxonomy, Physiology, and Natural Products of Actinobacteria. Microbiol Mol Biol Rev 80:1-43. Die Studie befindet sich leider hinter einer Paywall, ist also nur für diejenigen zugänglich, die ein Abo der entsprechenden Fachzeitschrift haben. Daher werden wir nicht direkt auf den Artikel verlinken, sondern stellen euch den „Digital Object Identifier (DOI)“ zur Verfügung: doi: 10.1128/MMBR.00019-15.
  • Exoenzym – Wikipedia Artikel
  • Cellulasen – Wikipedia Artikel
  • Chitotriosidase oder Chitinase – Wikipedia Artikel
  • Cellulose – Wikipedia Artikel
  • Chitin – Wikipedia Artikel

Einteilung der Aktinomyceten

• • Frankiaceae – Lexikon der Biologie
  • Mykobakterien – Wikipedia Artikel
  • Mycobacterium tuberculosis – Wikipedia Artikel
  • Corynebacterium – Wikipedia Artikel
  • Corynebacterium diphtheriae – Wikipedia Artikel

Verwendung der Aktinomyceten

• • Lipasen – Wikipedia Artikel
  • Proteinase – DocCheck Flexikon
  • Sekundärmetaboliten – Wikipedia Artikel
  • Antivirale Substanzen – Wikipedia Artikel
  • Immunsuppressiva – Wikipedia Artikel
  • Zytotoxizität – Wikipedia Artikel

Was ist ein Sekundärmetabolit

• • Primärstoffwechsel – DocCheck Flexikon
  • Glykolyse – Wikipedia Artikel
  • Citratzyklus – Wikipedia Artikel
  • Glucose – Wikipedia Artikel
  • Sekundaerstoffwechsel – Lexikon der Biologie
  • Carotinoide – Wikipedia Artikel
  • Pigmente – Wikipedia Artikel
  • Toxin – Wikipedia Artikel
  • Γ-Butyrolacton – Wikipedia Artikel

Struktur von gamma-Butyrolacton; Quelle: Chem Sim 2001, Public domain, via Wikimedia Commons.

Beispiele für Antibiotika aus Aktinomyceten

• • Penicillium notatum – Wikipedia Artikel
  • Selman Abraham Waksman – Wikipedia Artikel
  • Actinomycin – Wikipedia Artikel
  • Streptomyces antibioticus – Wikipedia Artikel (englisch)
  • Streptomycin – Wikipedia Artikel
  • Vancomycin – Wikipedia Artikel
  • Teicoplanin – Wikipedia Artikel
  • Erythromycin – Wikipedia Artikel
  • Tetracyclin – Wikipedia Artikel

Rechnerische Wirkstoffkapazität

• • Streptomyces coelicolor – Wikipedia Artikel
  • Gen-Cluster – Wikipedia Artikel
  • Bioinformatik – Wikipedia Artikel
  • Actinorhodin – Wikipedia Artikel (englisch)
  • Undecylprodigiosin – Wikipedia Artikel (englisch)

Gezielter Start einer Antibiotika-Biosynthese

• • Aufreinigung – Wikipedia Artikel
  • Strukturaufklärung (Charakterisierung) – Wikipedia Artikel

Platten zur Kontrolle, ob der SARP-Regulator funktioniert. Die dreieckigen Bereiche sind jeweils Streptomyces coelicolor, der flächig angewachsen ist. S. coelicolor produziert zwei prominente pigmentierte Substanzen (Actinorhodin (Act) = blau und Undecylprodigiosin (Red) = rot). Die weiße Kultur ist eine S. colicolor-Mutante, in der die SARP-Regulatorgene für die beiden Biosynthesen deletiert sind. Es kann kein Act und Red gebildet werden. Die roten Bereiche sind die S. colicolor-Mutante, in der das SARP-Regulatorgen papR2 exprimiert wird. Dies führt zur biosyntheseweg-spezifischen Aktivierung der Red-Biosynthese (= SARP-Aktivierung funktioniert).

SARP – Für die Regulation der Biosynthese

• • Looking for new antibiotics – Pressemitteilung der DSMZ zu SARPs (englisch)
  • Polyketide – Wikipedia Artikel
  • Nichtribosomales Peptid – Wikipedia Artikel
  • Β-Lactam-Antibiotika – Wikipedia Artikel

Grundstruktur der Penicilline;das R steht für Rest. An dieser Stelle kann die Struktur variiert werden, um zum Beispiel die Selektivität für bestimmte Bakterien zu erhöhen; Quelle: Yikrazuul, Public domain, via Wikimedia Commons

Struktur eines SARP

• • Uncovering the hidden biosynthetic potential of actinomycetes by SARP activation for drug discovery – Pressemittelung der DSMZ zu SARPs (englisch)

Wie funktioniert eine genetische Steuerung?

• • Strukturgen – Wikipedia Artikel
  • Regulatorgen – Wikipedia Artikel
  • Resistenzgen – Wikipedia Artikel
  • Β-Lactamasen – Wikipedia Artikel

Exkurs Cephalosporin-Biosythese

• • Streptomyces clavuligerus – Wikipedia Artikel
  • Cephalosporine – Wikipedia Artikel
  • Clavulansäure – Wikipedia Artikel

Struktur der Clavulansäure; Quelle: Mysid, Public domain, via Wikimedia Commons

Promotoren

• • Promotor (Genetik) – Wikipedia Artikel
  • RNA-Polymerasen – Wikipedia Artikel
  • Transkription (Biologie) – Wikipedia Artikel
  • Operon – Wikipedia Artikel

Anwendung im Labor

• • Plasmid – Wikipedia Artikel
  • wissenschaftlicher Artikel (open access) zu OSMAC (one strain many compounds): Romano S, Jackson S, Patry S, Dobson A. Extending the Strain Many Compounds”(OSMAC) Principle to Marine Microorganisms. Marine Drugs 2018;16(7):244. doi: 10.3390/md16070244
  • wissenschaftlicher Artikel (open access) zu OSMAC und Cokultivierung: van Bergeijk DA, Terlouw BR, Medema MH, van Wezel GP. Ecology and genomics of Actinobacteria: new concepts for natural product discovery. Nature Reviews Microbiology 2020;18(10):546–558. doi: 10.1038/s41579-020-0379-y
  • Seltene Erden – Wikipedia Artikel
  • Repressor – Wikipedia Artikel

Transfer-Organismus

• • Escherichia_coli (eColi) – Wikipedia Artikel

Wie viele SARPS gibt es?

• • Proteindomäne – Wikipedia Artikel
  • ATPasen – Wikipedia Artikel

Weitere spannende Sekundärmetaboliten

• • Genetic Engineering – Wikipedia Artikel (englisch)
  • Genome Mining – Wikipedia Artikel (englisch)
  • Phosphonate – Wikipedia Artikel

Einfache Metaboliten wie Phenylglycin

• • Nichtproteinogene Aminosäuren – Wikipedia Artikel
  • Α-Phenylglycin – Wikipedia Artikel
  • Pristinamycin – Wikipedia Artikel
  • Katalyse – Wikipedia Artikel

Struktur von Phenylglycine; Quelle: Jü, Public domain, via Wikimedia Commons.

Der Weg zur Fermentation

• • Fermentation – Wikipedia Artikel
  • Aminotransferasen – Wikipedia Artikel

Entdeckung der Pristinamycin Gencluster

• • Pristinamycine – Wikipedia Artikel

Pristinamycin – ein natürliches Kombi-Präparat

• • Bakteriostatisch – DocCheck Flexikon
  • Bakteriostatikum – Wikipedia Artikel
  • Bakterizid – Wikipedia Artikel

SARPS als Schalter

• • Streptomyces lividans – microbewiki
  • Undecylprodigiosin – Wikipedia Artikel

Struktur von Undecylprodigiosin; Quelle: Ed (Edgar181), Public domain, via Wikimedia Commons

Wie werden SARPS reguliert?

• • TetR – Wikipedia Artikel
  • Repressor – Wikipedia Artikel
  • Signalkaskade – DocCheck Flexikon

Aufnahme neuer Species in die Sammlung

• • Internationales Journal für systematische und evolutionäre Mikrobiologie (IJSEM) – Wikipedia Artikel
  • IJSEM – Homepage
  • Taxonomie – Wikipedia Artikel
  • Pflanzenvirus – Wikipedia Artikel
  • Zellkultur – Wikipedia Artikel
  • Anaerobie – Wikipedia Artikel

Informationen zur Aufnahme in die Sammlung

• • Phylogenese – Wikipedia Artikel

Was ist eine 16S Analyse?

• • 16S ribosomal RNA – Wikipedia Artikel (englisch)

Ausschluss gefährlicher Mikroorganismen

• • Pathogenität – Wikipedia Artikel
  • Biologische Schutzstufe – Wikipedia Artikel
  • Biologische Risikogruppe 2 – Wikipedia Artikel
  • Biologische Schutzstufe 2 – Wikipedia Artikel
  • Yersinia – Wikipedia Artikel
  • Bordetellen – Wikipedia Artikel

Die Sammlung: Konservierung, Anzucht und Verteilung

• • Kryokonservierung – Wikipedia Artikel
  • Gefriertrocknung – Wikipedia Artikel

Gefriertrocknung am DSMZ, Yvonne erklärt, wie Kulturen konserviert werden; Quelle: Wirkstoffradio.

Die Strukturierung der Sammlung

• • Sammlung der DSMZ – Homepage
  • Pilze – Wikipedia Artikel
  • Hefen – Wikipedia Artikel
  • Bakteriophagen – Wikipedia Artikel

Vorbereitung von Probenröhrchen im Labor; Quelle: Wirkstoffradio.

Weitere Abteilungen der DSMZ

• • Mikroorganimen – Homepage
  • Humane Zelllinien – Homepage

Yvonne und die Aktinomyceten

• • Interfakultäres Institut für Mikrobiologie und Infektionsmedizin – Homepage
  • Mikrobiologie/Biotechnologie; Prof. Dr. Wolfgang Wohlleben (Emeritus-Arbeitsgruppe) – Homepage

Yvonnes Studium

• • Fachbereich Biologie – Universität Tübingen

Wechsel nach Braunschweig ans DSMZ

• • TU-Braunschweig – Homepage
  • Science Campus Braunschweig-Süd – Homepage

Yvonne am robotischen Lagerautomaten des DSMZ; Quelle: Wirkstoffradio.

Yvonnes Lieblingsmolekül

• • Pristinamycin – Wikipedia Artikel
  • Streptogramine – Wikipedia Artikel

Struktur von Pristinamycin IA; Quelle: Edgar181, Public domain, via Wikimedia Commons

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Wir bedanken uns ganz herzlich bei Prof. Dr. Yvonne Mast für die Zeit und ihre Erläuterungen zu ihrem Forschungsgebiet.

Wir freuen uns immer über Feedback: per Mail unter [e-mail], in den Kommentaren unter den einzelnen Episoden, über Twitter @wirkstoffradio, bei Mastodon unter @[e-mail] oder auch als Bewertung bei iTunes/Apple-Podcasts oder panoptikum.social.

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Capitole

1. Begrüßung (00:00:00)

2. Was sind Aktinomyceten? (00:01:34)

3. Aufgaben der Aktinomyceten (00:05:37)

4. Einteilung der Aktinomyceten (00:07:51)

5. Verwendung der Aktinomyceten (00:09:37)

6. Was ist ein Sekundärmetabolit (00:14:43)

7. Beispiele für Antibiotika aus Aktinomyceten (00:18:40)

8. Rechnerische Wirkstoffkapazität (00:20:57)

9. Gezielter Start einer Antibiotika-Biosynthese (00:24:58)

10. SARP - Für die Regulation der Biosynthese (00:27:22)

11. Struktur eines SARP (00:28:38)

12. Wie funktioniert eine genetische Steuerung? (00:30:27)

13. Exkurs Cephalosporin-Biosythese (00:33:09)

14. Promotoren (00:34:20)

15. Anwendung im Labor (00:36:40)

16. Transfer-Organismus (00:41:35)

17. Wieviele SARPS gibt es? (00:41:57)

18. Weitere spannende Sekundärmetaboliten (00:44:21)

19. Einfache Metaboliten wie Phenylglycin (00:46:42)

20. Der Weg zur Fermentation (00:48:46)

21. Entdeckung der Pristinamycin Gencluster (00:53:05)

22. Pristinamycin - ein natürliches Kombipräparat (00:55:38)

23. SARPS als Schalter (00:58:46)

24. Wie werden SARPS reguliert? (01:02:11)

25. Aufnahme neuer Spezies in die Sammlung (01:05:08)

26. Infomationen zur Aufnahme in die Sammlung (01:09:14)

27. Was ist eine 16S Analyse? (01:09:59)

28. Ausschluss gefährlicher Mikroorganismen (01:11:01)

29. Die Sammlung: Konservierung, Anzucht und Verteilung (01:11:33)

30. Die Strukturierung der Sammlung (01:14:07)

31. Weitere Abteilungen des DSMZ (01:17:13)

32. Yvonne und die Aktinomyceten (01:19:21)

33. Yvonnes Studium (01:21:12)

34. Wechsel nach Braunschweig ans DSMZ (01:24:30)

35. Yvonnes Lieblingsmolekül (01:33:23)

36. Verabschiedung und Bitte um Feedback (01:35:06)