Bis 2022

Naturstoffe regulieren Symbiosen

Seit ihrer Entstehung sind höhere Eukaryoten und Mikroben einem ständigen Prozess der Koevolution unterworfen. Viele dieser Interaktionen haben zur Vergesellschaftung von Individuen unterschiedlicher Arten geführt, welche durch die Sekretion von Signalmoleküle (Naturstoffen) gesteuert werden.

Wir analysieren die Strukturen, genetischen Grundlagen und Funktionen von Naturstoffen in symbiotischen Systemen. Zur Strukturaufklärung nutzen wir moderne analytische und molekularbiologische Methoden. In ausgewählten Fällen synthetisieren wir die entsprechenden Naturstoffe, um ihre Struktur-Wirkungsbeziehungen besser zu erfassen. Die erhaltenen Naturstoffe werden anschließend auf ihre Rolle im Ökosystem getestet. Unser methodisches Spektrum umfasst insbesondere die Forschungsgebiete

Analytische Chemie (UHPLC, UHPLC-MS, NMR, etc.)
Molekularbiologie (z.B. Knock-out Studien)
Organische Synthese (Synthese von Signalmolekülen)

Termiten und Ihre Symbionten

Pilz-züchtende Termiten kultivieren in speziell gebauten Nestern den hochspezialisierten symbiontischen Pilz Termitomyces, dessen Fruchtkörper wiederum als Nahrungsquelle für die gesamte Termitenkolonie dienen. Erstaunlicherweise sind in den sogenannten Pilzgärten trotz substratreicher und damit idealer Wachstumsbedingungen bisher nur spezialisierte Schadpilze und wenige Freßfeinde identifiziert worden. Wir untersuchen die chemische Kommunikation, d.h. die sekretierten Naturstoffe und biochemischen Prozesse, die zwischen Insekten, ihrem Futterpilz und co-evolvierten Schadpilzen stattfindet.

termite mount
fungus comb
soldier protecting comb
Pseudoxylaria sp.
Amycolatopsis sp.

Mikrobielle Symbionten von Hydraktinien

Hydraktinien besitzen ein vielfältiges und dynamisches Mikrobiom. Viele assoziierte Bakterien benutzen antimikrobielle Naturstoffe, um den Wirtsorganismus zu schützen oder sich gegen Nahrungskonkurrenten zu wehren. In marinen Habitaten beeinflussen Bakterien zudem den Lebenszyklus von Invertebraten, indem sie morphogene Signalstoffe aussenden, die von Larven der Invertebraten detektiert werden. Die Detektion von bakteriellen Morphogenen induziert die Umstrukturierung vom Larvenstadium in den adulten, sessilen Organismus und schließt den Lebenszyklus.

Wir haben wir eine umfangreiche Sammlung von Hydraktinien-assoziierten Bakterien und Pilzen angelegt und die Genome ausgewählter Kandidaten sequenziert, um zielgerichtet die morphogenen Signalmoleküle und kodierten Naturstoffe zu identifizieren und ihre Biosyntheswege oder Regulation aufzuklären.

Die Identifizierung der Naturstoffe ermöglicht zudem deren Totalsynthese und die Herstellung von chemischen Sonden, so dass künftig Struktur-Aktivitäts-Beziehungen und Zielproteine charakterisiert werden können.

reine Isolate mariner Bakterien
Pseudoalteromonas sp.
Pseudoalteromonas sp.

Naturstoffsynthesen

Viele Naturstoffe können aufgrund ihrer geringen Verfügbarkeit strukturell nicht vollständig charakterisiert werden, so dass eine Totalsynthese zum endgültigen strukturellen Beweis notwendig ist. Auch weiterführende Struktur-Aktivitätsbeziehungen sind häufig erforderlich, die jedoch entweder einen Zugang zu größeren Mengen des Naturstoffs oder eine flexible Synthesestrategie erfordern.

Leitung

Christine Beemelmanns

Leitung

Details

Termiten und Ihre Symbionten

Pilz-züchtende Termiten kultivieren in speziell gebauten Nestern den hochspezialisierten symbiontischen Pilz Termitomyces, dessen Fruchtkörper wiederum als Nahrungsquelle für die gesamte Termitenkolonie dienen. Erstaunlicherweise sind in den sogenannten Pilzgärten trotz substratreicher und damit idealer Wachstumsbedingungen bisher nur wenige andere Schadpilze und andere Freßfeinde identifiziert worden.

Feldforschung

termite mount
open termite mount

Mikrobielle Symbionten

Termitomyces sp.
Amycolatopsis sp.
Pseudoxylaria sp.
Pseudoxylaria sp.

Naturstoffe aus Protektive Symbionten

Wie genau Termiten ihre hochspezialisierte Pilzmonokulturen gesund halten, ist bis heute nicht vollständig verstanden. Neben mechanischen Methoden tragen vermutlich insbesondere defensive Symbionten durch die Aussonderung von selektiven antifungalen und antibakteriellen Stoffen einen Teil zum natürlichen Abwehrsystem bei.

Biosynthese von Naturstoffen

Zudem untersuchen wir das biosynthetische Potential neuer, oder bisher wenig untersuchter Mikroorganismen, um neue Naturstoffe und damit neue Chemotypen mit selektiven pharmakologischen Eigenschaften aufzuspüren. Dazu haben wir die Genome von ausgewählten Mikroorganismen sequenziert und analysieren diese mit Hilfe verschiedener bioinformatischer Methoden. Die genetischen Informationen nutzen wir, um die Biosynthesewege von bekannten oder noch unbekannten Verbindungen enzymatisch genauer zu untersuchen.

Dokumentation

Termine Fungiculture – A Hidden Treasure Trove

Wie ein Antibiotikacocktail Insekten schützt

Drittmittel

ChemBioSys (DFG) seit 2016
BiBiMac (DFG-ANR) ab 2018

Unsere Kooperationen

Zusammen mit der AG Poulsen untersuchen wir das Mikrobiom der Termiten, um das biochemische und biosynthetische Potenzial der mikrobiellen Gemeinschaften zu erfassen, um deren Interaktionsmechanismen mit dem Insektenwirt besser zu verstehen. Langfristig möchten wir dazu beitragen generellere Aussagen zur Entwicklung von Symbiosen formulieren zu können.

Zu dem arbeiten wir eng mit vielen anderen Arbeitsgruppen zusammen:

AG Kim (Sungkyunkwan University, Republic of Korea)
dem Biotechnikum (HKI), und der
Jena Microbial Resource Collection (HKI)

Mirkobielle Symbionten Hydraktinien

Hydraktinien besitzen ein vielfältiges und dynamisches Mikrobiom. Viele assoziierte Bakterien benutzen antimikrobielle Naturstoffe, um den Wirtsorganismus zu schützen und/oder sich gegen Nahrungskonkurrenten zu wehren.

Wir haben wir eine umfangreiche Bakterien und Pilzsammlung von Hydraktinien-assoziierten Mikroorganismen angelegt und die Genome ausgewählter Kandidaten sequenziert. Um zielgerichtet die kodierten Naturstoffen zu identifizieren, benutzen wir eine Kombination aus unterschiedlichen Bioassays, vergleichenden Genomanalysen und state-of-the-art Analytik.