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.

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.

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

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.

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:

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.

Mikroorganismen schützen und gestalten den marinen Stachelpolypen Hydraktinia

Drittmittel

  • JSMC (DFG)
  • ERC (H2020-EU.1.1. - EXCELLENT SCIENCE - European Research Council (ERC) )

Unser Kooperationen

Diese Arbeiten finden in enger Kollaboration mit

statt.

Signalmoleküle Induzieren Biofouling

Marine Biofilme tragen wesentlich zum Prozess des Biofoulings bei (Besiedlung von Oberflächen durch sessile symbiontische Organismen) und ist für die Entstehung von z.B. Korallenriffen verantwortlich. Im Bereich der marinen Schifffahrt kann dieser ungewollte Besiedlungsprozess jedoch einen großen wirtschaftlichen Schaden verursachen.

Wir charakterisieren derzeit die Strukturen verschiedener morphogener Naturstoffe welche aus verschiedenen induktiven Bakterien isoliert wurden!

Drittmittel

  • EX-SPHINGO (DFG) 
  • ERC (H2020-EU.1.1. - EXCELLENT SCIENCE - European Research Council (ERC) )

Unsere Kooperationen

Wir arbeiten eng mit den Arbeitsgruppen:

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. 

Synthese neuer Sphingolipide

Synthesis of new sulfonolipids / Isolation and characterization of new sulfonolipids

Sphingolipide und Sphingolipid-artigen Naturstoffen sind essentielle Signamoleküle in wichtigen zellulären Prozessen. Sie dienen ebenfalls der Kommunkiation zwischen Organismen. Wir konnten bereits zeigen, dass ein neues Sulfonolipid RIF-1 die Morphogenese von prädatorischen Choanoflagellaten induziert.

Die Synthese von bioaktiven Sphingolipiden und Derivativen (Einbringen von Fluoreszenz-Markern) unterstützt unsere weiterführende biologische Arbeiten (z.B. Identifizierung von zellulären Targets; Aussagen über Struktur-Wirkungsbeziehungen).

Um die Syntheseziele möglichst effizient zu erreichen, werden neuste organische Synthesemethoden verwendet

Synthese neuartiger NRPS-Verbindungen

Basierend auf einer vergelichenden Genomanalyse konnten wir eine neuen Naturstoff -Barnesin A - isolieren. Weiterführende Bioaktivitätsstudien zeigten, dass Barnesin A ein Cystein-Protease-Inhibitor mit nanomolarer Aktivität darstellt. Die Totalsynthese ermöglichte weiterführende Struktur-Aktivitätsstudien.

Für weitere Details, lest Maja's Artikel in ACS ChemBio!

Drittmittel

  • EX-SPHINGO (DFG) 
  • ERC (H2020-EU.1.1. - EXCELLENT SCIENCE - European Research Council (ERC) )

Wir arbeiten eng mit den Arbeitsgruppen

Publikationen

Roman D, Meisinger P, Guillonneau R, Peng CC, Peltner LK, Jordan PM, Haensch V, Götze S, Werz O, Hertweck C, Chen Y, Beemelmanns C (2024) Structure revision of a widespread marine sulfonolipid class based on isolation and total synthesis. Angew Chem Int Ed Engl [Epub ahead of print]
Seibold PS, Dörner S, Fricke J, Schäfer T, Beemelmanns C, Hoffmeister D (2024) Genetic regulation of L-tryptophan metabolism in Psilocybe mexicana supports psilocybin biosynthesis. Fungal Biol Biotechnol 11(1), 4.
Bartholomäus ATH, Roman D, Al-Jammal WK, Vilotijević I, Christine Beemelmanns C (2023) Synthesis of aryl- and alkyl-containing 3-methylene-5-hydroxy esters via a barbier allylation reaction. Eur J Org Chem 26(18), e202300177.
Bodawatta KH, Hu H, Schalk F, Daniel JM, Maiah G, Koane B, Iova B, Beemelmanns C, Poulsen M, Jønsson KA (2023) Multiple mutations in the Nav1.4 sodium channel of New Guinean toxic birds provide autoresistance to deadly batrachotoxin. Mol Ecol 33(9), e16878.
Fricke J, Schalk F, Kreuzenbeck NB, Seibel E, Hoffmann J, Dittmann G, Conlon BH, Guo H, Wilhelm de Beer Z, Vassão DG, Gleixner G, Poulsen M, Beemelmanns C (2023) Adaptations of Pseudoxylaria towards a comb-associated lifestyle in fungus-farming termite colonies. ISME J 17(5), 733-747.
Kreuzenbeck NB, Dhiman S, Roman D, Burkhardt I, Conlon BH, Fricke J, Guo H, Blume J, Görls H, Poulsen M, Dickschat JS, Köllner TG, Arndt HD, Beemelmanns C (2023) Isolation, (bio)synthetic studies and evaluation of antimicrobial properties of drimenol-type sesquiterpenes of Termitomyces fungi. Commun Chem 6(1), 79.
Peng CC, Dormanns N, Regestein L, Beemelmanns C (2023) Isolation of sulfonosphingolipids from the rosette-inducing bacterium Zobellia uliginosa and evaluation of their rosette-inducing activity. RSC Adv 13(39), 27520-27524.
Seibel E, Um S, Dayras M, Bodawatta KH, de Kruijff M, Jønsson KA, Poulsen M, Kim KH, Beemelmanns C (2023) Genome mining for macrolactam-encoding gene clusters allowed for the network-guided isolation of β-amino acid-containing cyclic derivatives and heterologous production of ciromicin A. Commun Chem 6(1), 257.
Bissell AU, Rautschek J, Hoefgen S, Raguž L, Mattern DJ, Saeed N, Janevska S, Jojić K, Huang Y, Kufs JE, Herboeck B, Guo H, Hillmann F, Beemelmanns C, Valiante V (2022) Biosynthesis of the sphingolipid inhibitors sphingofungins in filamentous fungi requires aminomalonate as a metabolic precursor. ACS Chem Biol 17(2), 386-394.
Grosse M, Günther K, Jordan PM, Roman D, Werz O, Beemelmanns C (2022) Synthesis of functionalized δ-hydroxy-β-keto esters and evaluation of their anti-inflammatory properties. ChemBioChem 23(9), e202200073.