Antivitamine oder Trojanische Pferde in der Mikrobiologie
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
240 W I S S EN S CH AFT
Antibiotika
Antivitamine oder Trojanische Pferde
in der Mikrobiologie
aureus, wirkt aber nicht gegen Gram-nega-
FRANK JANKOWITSCH, JULIA SCHWARZ, VALENTINO KONJIK, CARMEN SCHNEIDER, tive. Klinisch wird Roseoflavin bisher nicht
MATTHIAS MACK genutzt. Roseoflavin wird für die Selektion
INSTITUT FÜR TECHNISCHE MIKROBIOLOGIE, FAKULTÄT FÜR BIOTECHNOLOGIE, mikrobieller Riboflavinüberproduzenten ein-
HOCHSCHULE MANNHEIM gesetzt, die zur biotechnologischen Her-
stellung der wichtigen Feinchemikalie Ribo-
Vitamin analogs can be potent antibiotics. We exemplarily study the flavin verwendet werden.
structural riboflavin (vitamin B2) analog roseoflavin synthesized by
Aufnahme und molekulare Wirkung
Streptomyces davaonensis to pave the way for the structured analysis
von Roseoflavin
of other vitamin analogs yet to be discovered. We investigate the bio-
Unser Labor war das erste, das molekularbio-
synthesis of roseoflavin, its mechanism of action, and the resistance logische und biochemische Arbeiten mit
mechanism of the producer. As riboflavin is the most important organic S. davaonensis aufnahm. Schnell fanden wir
cofactor roseoflavin has a broad impact on the soil microbiome. heraus, warum Roseoflavin nur auf Gram-
positive Bakterien wirkt: Nur diese besitzen
DOI: 10.1007/s12268-021-1573-9
© Die Autoren 2021 Riboflavintransporter, die auch für die Auf-
nahme von Roseoflavin sorgen. Nach Aufnah-
me wird Roseoflavin „aktiviert“ und in die
ó Antivitamine sind Stoffe, die eine ähnli- Riboflavin-analoge Antivitamin Roseoflavin FMN/FAD-Analoga Roseoflavinmononukleo-
che Struktur wie Vitamine haben, aber ande- aus Streptomyces davaonensis, das auch noch tid (RoFMN) bzw. Roseoflavin-Adenin-Di-
re physikalische bzw. chemische Eigenschaf- von einem zweiten Bakterium, Streptomyces nukleotid (RoFAD) umgewandelt.
ten. Antivitamine reduzieren oder hemmen cinnabarinus, gebildet wird. Die Strategie, Diesen Umbau der Vorstufe (prodrug)
die Aktivität bestimmter Enzyme oder RNA- aus einem lebensnotwendigen Stoff ein Anti- Roseoflavin bewerkstelligen Flavokinasen
Moleküle und damit auch das Wachstum der biotikum zu bilden, ist clever: Eine gute Auf- und FAD-Synthetasen. Diese Enzyme sind
Zielzellen. Wir untersuchen modellhaft das nahme der antibiotischen Vitaminanaloga in allen Lebewesen vorhanden und bilden
durch Vitamintransporter ist garantiert, und normalerweise die Enzym-Kofaktoren FMN
damit erreichen diese tückischen Verbindun- und FAD aus Riboflavin und ATP. RoFMN
gen als Trojanische Pferde leicht ihr moleku- und RoFAD binden an Flavoenzyme. Diese
lares Ziel. Da die meisten Vitamine an meh- Enzyme sind an zahlreichen grundlegenden
reren Stellen biochemisch aktiv sind, haben zellulären Funktionen beteiligt und nur in
Antivitamine eine ganze Reihe von Zielmole- Kombination mit FMN oder FAD voll aktiv.
külen. Wenn Flavoenzyme statt FMN oder FAD
RoFMN oder RoFAD gebunden haben, sind
Streptomyces davaonensis bildet das sie weniger oder gar nicht mehr aktiv. In
Antivitamin Roseoflavin einem rekombinanten, Roseoflavin-sensiti-
Das Bakterium S. davaonensis wurde von ven Escherichia coli-Stamm konnten wir
einer japanischen Arbeitsgruppe auf der beispielsweise zeigen, dass 37 von 38 Flavo-
Suche nach neuen bioaktiven Wirkstoffen enzymen RoFMN oder RoFAD binden und
aus einer Bodenprobe in der Nähe von Davao dass dies zu einer signifikanten Reduktion
City, Philippinen, isoliert [1]. S. davaonensis der Aktivität dieser Enzyme führt. Wir
scheidet auf stärkehaltigen Nährmedien ein konnten darüber hinaus erstmals zeigen,
wasserlösliches Pigment aus (Abb. 1). Die dass FMN-RNA-Schalter durch RoFMN
Arbeitsgruppe isolierte und analysierte das blockiert werden, bzw. dass diese in Bakte-
Pigment und nannte es aufgrund der struk- rien weitverbreiteten genetischen Elemente
turellen Ähnlichkeit zu Riboflavin (Vitamin Zielmoleküle für Antibiotika sein können.
B2, Abb. 2) und der roten Farbe Roseoflavin. FMN-RNA-Schalter regulieren die Biosyn-
Roseoflavin wirkt auffallend stark antibio- these und den Transport von Ribofl avin;
˚ Abb. 1: Streptomyces davaonensis bildet
das rote Antibiotikum Roseoflavin. tisch gegen Gram-positive Bakterienarten werden sie durch RoFMN dauerhaft abge-
wie Bacillus subtilis oder Staphylococcus stellt, führt dies zu Riboflavinmangel und
BIOspektrum | 03.21 | 27. Jahrgang
damit zu reduziertem Wachstum. Merck, rer Gene des Sekundärstoffwechsels.
USA, ent wickelt derzeit ein syntheti- Noch bilden rosB, rosA und rosC keine
sches Antiinfektivum (Ribocil) [2], das Transkriptionseinheit (Abb. 2), und man
hemmend auf FMN-RNA-Schalter wirkt, könnte spekulieren, dass S. davaonensis
aber keine Vitaminmangelsymptome im die Kompetenz zur Bildung von Roseofla-
Patienten erzeugt. vin erst spät in der Evolution erworben
S. davaonensis besitzt einen ganz spe- hat.
ziellen FMN-RNA-Schalter, der zwar noch Die Sequenzierung des 9,5 Mbp
FMN bindet, aber kein RoFMN, was die Genoms von S. davaonensis und eine dar-
Roseoflavinresistenz des Produzenten auffolgende Transkriptionsanalyse waren
erklärt. Ganz bestimmte Nukleotide im nicht nur für die Aufklärung der Roseofla-
285 Nukleotide langen FMN-RNA-Schal- vinbiosynthese wichtig, sondern ergaben
ter aus S. davaonensis, die übrigens auch auch, dass S. davaonensis mit 17 unge-
im FMN-RNA-Schalter des zweiten wöhnlich viele funktionelle Riboflavin-
bekannten Roseoflavinproduzenten S. cin- Biosynthesegene besitzt. S. davaonensis
nabarinus vorkommen, sind dabei für die hat demnach eine hohe katalytische Kapa-
Resistenz verantwortlich. Im Umkehr- zität im Hinblick auf die Bildung von Fla-
schluss war die Aufklärung des Resistenz- vinen, was gut zu einem Produzenten
mechanismus ein wichtiger „Beweis“ eines Riboflavinanalogons passt. Wir ent-
dafür, dass Roseoflavin tatsächlich auf deckten u. a. mit RibAB5 ein Enzym, das
FMN-RNA-Schalter wirkt [3]. fünf Mal aktiver ist als alle anderen
bekannten RibABs. RibAB5 aus S. davao-
Biosynthese von Roseoflavin nensis ist ein schnelles „Eingangsenzym“
Wir dachten ursprünglich, dass eine gan- der Riboflavinbiosynthese und damit für
ze Reihe von Enzymen benötigt würde, biotechnologische Anwendungen höchst
um aus Riboflavin Roseoflavin zu bilden interessant.
bzw. um den Austausch einer Methyl-
gruppe am aroma tischen System von Antibiose des flavinogenen
Riboflavin durch eine Dimethylamino- Bakteriums Streptomyces
gruppe zu bewerkstelligen. S. davaonensis davaonensis
löst das Problem jedoch mit wenigen Kata- Riboflavin wird in seiner reduzierten
lysatoren. Nicht Riboflavin, sondern Form (Dihydroriboflavin) von zahlreichen
Riboflavin-5′-phosphat (FMN) ist das Sub- Mikroorganismen, aber auch Pflanzen
strat für ein verhältnismäßig kleines ausgeschieden, um schlecht lösliches
Enzym (RosB, 29 kDa), das in einer oxida- Eisen(III) zu gut löslichem Eisen(II) zu
tiven Kaskade zunächst das Schlüsselin- reduzieren (Abb. 3). Neben dieser assimi-
termediat 8-Demethyl-8-amino-riboflavin- latorischen Eisenreduktion gibt es im
5′-phosphat synthetisiert (Abb. 2, [4]). Boden auch die dissimilatorische Eisenre-
Allein wegen RosB hat sich die Unter- duktion, die darauf abzielt, Reduktions-
suchung der Roseoflavinbiosynthese äquivalente im Rahmen kataboler Prozes-
gelohnt. RosB ist das erste bekannte se zu entsorgen.
Enzym einer neuen Enzymklasse (mit Die Chancen, etwas extrazelluläres
einem neuen Reaktionsmechanismus), Riboflavin zu ergattern, stehen daher für
deren Vertreter Oxidoreduktasen, Decar- die Mitbewohner im Boden recht gut, was
boxylasen und Aminotransferasen in auch daran liegt, dass sich Mikroorganis-
einem sind. Unsere darauffolgende Struk- men gegenseitig durch die Ausscheidung
turanalyse von RosB legte nahe, dass und Aufnahme bestimmter Vitamine (u.
RosB aus einem Elektronen-übertragen- a. Riboflavin) unterstützen. Auch wenn
den Flavodoxin entstanden ist [5]. RosC wahrscheinlich viele Bodenmikroorganis-
und RosA komplettieren die Biosynthese men Riboflavin selbst synthetisieren kön-
von Roseoflavin – insgesamt sind also nur nen, spart die Aufnahme des Vitamins aus
wenige Enzyme nötig, um aus einem Vit- der Umgebung metabolische Energie,
amin ein hochwirksames Antibiotikum zu schließlich benötigt die Synthese von
bilden (Abb. 2). Riboflavin ein Molekül GTP und zwei
Die Roseoflavin-Biosynthesegene befin- Moleküle Ribulose-5-phosphat.
den sich auf einem der terminalen Arme Die Aufnahme von Riboflavin scheint
des linearen Chromosoms von S. davao- im Boden also normal zu sein was, u. a.
nensis in Gesellschaft einer Vielzahl ande- erklärt, dass schon neun verschiedene
BIOspektrum | 03.21 | 27. Jahrgang
242 W I S S EN S CH AFT
˚ Abb. 2: Die Biosynthese von Roseoflavin in Streptomyces davaonensis. Die Enzyme sind als Kreise dargestellt. Die Flavokinase RibCF bildet den
wichtigen Enzym-Kofaktor Flavinmononukleotid (FMN, I). Das Schlüsselenzym RosB (grau) katalysiert sowohl die Oxidation der Methylgruppe an FMN
(I zu III) als auch eine Decarboxylierung bzw. die Übertragung einer Aminogruppe. Die Roseoflavin-Biosynthesegene RosA, RosB und RosC sind auf das
lineare Chromosom von S. davaonensis verteilt. Die Gene ribXY codieren für ein Riboflavinaufnahmesystem (s. Abb. 3). P: Phosphat.
Familien von Ahnungslose Nachbarn von S. davaonensis
Riboflavintrans- nehmen Roseoflavin mittels Riboflavintrans-
portern in ver- portern auf und gehen zugrunde. S. davao-
schiedenen Bak- nensis gehört wahrscheinlich zunächst ein-
terien gefunden mal ebenfalls zu den Riboflavinausscheidern
wurden. Wir (Abb. 3) und füttert die Nachbarn sozusagen
bezeichnen an.
Roseoflavin gerne Unsere Transkriptomanalysen zeigen,
als „Trojanisches dass S. davaonensis bei Eintritt in die statio-
Pferd“ und find- näre Phase des Wachstums (Roseoflavin-
en, dass dieses Bildungsphase) die Gene eines hocheffizien-
Bild gut zu die- ten Riboflavin-Aufnahmesystems (RibXY)
sem Riboflavi- extrem stark exprimiert. S. davaonensis
nanalogon passt. nimmt damit den Nachbarn das Riboflavin
¯ Abb. 3: Durch „Umschalten“ von Riboflavinausscheidung auf
Roseoflavinausscheidung verstärkt Streptomyces davaonensis die
Wirkung seines Antibiotikums. Riboflavin wird im Zuge der assimila-
torischen bzw. dissimilatorischen Eisenreduktion von vielen Boden-
mikroorganismen sowie Pflanzen ausgeschieden. Auch das flavino-
gene Bakterium S. davaonensis unterfüttert möglichersweise den
Riboflavin-Pool (1.). Bei Eintritt in die stationäre Wachstumsphase
nimmt S. davaonensis Riboflavin via RibXY wieder auf (2.), wandelt es
in Roseoflavin um und scheidet das Antibiotikum wieder aus (3.; der
Exporter ist noch unbekannt).
BIOspektrum | 03.21 | 27. Jahrgang245
wieder weg, wandelt es mit den Enzymen [3] Pedrolli DB, Matern A, Wang J et al. (2012) A highly spe-
AUTOREN
cialized flavin mononucleotide riboswitch responds different-
RosB, RosC und RosA in Roseoflavin um und ly to similar ligands and confers roseoflavin resistance to
scheidet das gebildete Antivitamin wieder Streptomyces davawensis. Nucleic Acids Res 40: 8662–8673
[4] Schwarz J, Konjik V, Jankowitsch F et al. (2016)
aus. In Erwartung eines Vitamins nehmen Identification of the key enzyme of roseoflavin biosynthesis.
die Riboflavin-hungrigen Mitbewohner Rose- Angew Chem Int Ed Engl 55: 6103–6106
[5] Konjik V, Brunle S, Demmer U et al. (2017) The crystal
oflavin dann umso bereitwilliger auf. Da Fla- structure of RosB: insights into the reaction mechanism of the
vine zusammen mit Eisen mit großem first member of a family of flavodoxin-like enzymes. Angew
Chem Int Ed Engl 56: 1146–1151
Abstand die häufigsten Kofaktoren [6] sind, [6] Monteverde DR, Gomez-Consarnau L, Suffridge C,
hat ein toxisches Flavinderivat auch entspre- Sanudo-Wilhelmy SA (2017) Life’s utilization of B vitamins
on early Earth. Geobiology 15: 3–18
chend großen Einfluss. Die AG Mack interessiert sich für Antivitamine
Funding note: Open Access funding enabled and organized by Projekt DEAL. und arbeitet darüber hinaus an der Verbesse-
Open Access: Dieser Artikel wird unter der Creative Commons Namensnennung
Ein verbreitetes System – als 4.0 International Lizenz veröffentlicht, welche die Nutzung, Vervielfältigung,
rung mikrobieller Produktionsstämme. Frank
Bearbeitung, Verbreitung und Wiedergabe in jeglichem Medium und Format Jankowitsch, Julia Schwarz, Valentino Konjik
Medikament einsetzbar? erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle
und Carmen Schneider waren als Doktorand/
ordnungsgemäß nennen, einen Link zur Creative Commons Lizenz beifügen und
Wir hoffen, dass wir folgende Fragen im Hin- angeben, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die in diesem Artikel inn/en im Roseoflavin-Projekt tätig. Matthias
enthaltenen Bilder und sonstiges Drittmaterial unterliegen ebenfalls der
Mack leitet das Institut für technische Mikro-
blick auf das Vitaminanalogon Roseoflavin genannten Creative Commons Lizenz, sofern sich aus der Abbildungslegende
nichts anderes ergibt. Sofern das betreffende Material nicht unter der biologie und kam im Rahmen seiner Arbeiten
noch klären können: genannten Creative Commons Lizenz steht und die betreffende Handlung nicht
zur biotechnologischen Synthese des auch
nach gesetzlichen Vorschriften erlaubt ist, ist für die oben aufgeführten
– Welches regulatorische System koordi- Weiterverwendungen des Materials die Einwilligung des jeweiligen kommerziell wichtigen Riboflavins bei der Fir-
Rechteinhabers einzuholen. Weitere Details zur Lizenz entnehmen Sie bitte der
ma Hoffmann-La Roche AG in Basel erstmals
niert den Stoffwechsel von Riboflavin und Lizenzinformation auf http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.de.
mit Roseoflavin in Berührung.
Roseoflavin in S. davaonensis? Korrespondenzadresse:
– Welches Protein ist für den Export von Prof. Dr. Matthias Mack
Roseoflavin verantwortlich? Institut für Technische Mikrobiologie
– Welche Organismen hemmt Roseoflavin Fakultät für Biotechnologie
Hochschule Mannheim
im Boden? Paul-Wittsack-Straße 10
– Gibt es noch weitere natürliche Vitamin- D-68163 Mannheim
analoga bzw. ist das Antivitaminkonzept m.mack@hs-mannheim.de
noch weiter verbreitet?
– Kann man Roseoflavin als Rückfallmedi-
kament zur Behandlung von z. B. MRSA-
Infekten klinisch verwenden?
In Zusammenarbeit mit einer australischen
Gruppe fanden wir heraus, dass die Behand-
lung mit Roseoflavin die Proliferation von
Malariaerregern hemmt. Für erste in vivo-
Versuche nutzten wir dabei Plasmodium vin-
ckei vinckei in einem Maus-Infektionsmodell.
Die mit Roseoflavin behandelten Mäuse zei-
gen allerdings die typischen Symptome eines
Riboflavinmangels, daher wollen wir als
nächstes ein ausgewogeneres Behandlungs-
konzept entwickeln.
Danksagung
Die AG Mack bedankt sich für die Förderung
bei BMBF, DFG, der Landesstiftung-Baden-
Württemberg, der Karl-Völker-Stiftung und
der Konanz-Stiftung. Wir bedanken uns
bei Jörn Kalinowski für die Sequenzierung
und Analyse des Genoms von S. davaonensis
und bei Ulrich Ermler für die Struktur-
analysen. ó
Literatur
[1] Otani S, Takatsu M, Nakano M et al. (1974) Letter:
Roseoflavin, a new antimicrobial pigment from Streptomyces.
J Antibiot (Tokyo) 27: 86–87
[2] Wang H, Mann PA, Xiao L et al. (2017) Dual-targeting
small-molecule inhibitors of the Staphylococcus aureus FMN
riboswitch disrupt riboflavin homeostasis in an infectious
setting. Cell Chem Biol 24: 576–588
BIOspektrum | 03.21 | 27. JahrgangSie können auch lesen
