„Wenn Antibiotika nicht mehr wirken, drohen die Behand­lungs­mög­lich­keiten in ein Vor-Penicillin-Zeitalter zurück­zu­fallen“

- Hermann Gröhe | Ex-Gesundheitsminister


Cyano­bak­terien – wirksame Alter­na­tiven zu Antibiotika

Antimikrobielle Wirkstoffe von terrestrischen Cyanobakterien

MRSA-Keime kosten vielen Patienten das Leben

Bakterien sind Alleskönner. Ohne sie gäbe es kein menschliches Leben. Sie kommunizieren untereinander, aber sie vernichten sich auch gegenseitig. Sie produzieren Wirkstoffe im Dienste der Wissenschaft, aber sie verursachen auch Krankheiten. Und sie passen sich allen widrigen Umständen an, die die Evolution oder der Mensch ihnen geboten hat und bietet. Denn sie besitzen die Gabe, sich alle 20 Minuten zu teilen. In dieser kurzen Zeit geben sie ihr Genmaterial an die Nachkommen weiter, und damit auch die Widerstandsfähigkeit gegen Antibiotika. So entwickeln sie in hohem Tempo Resistenzen. Die einst starke Waffe gegen bakterielle Infektionen wird immer stumpfer. 1928 entdeckte Alexander Fleming das Penicillin, seitdem bauten Forscher das Arsenal der Antibiotika stetig aus. Aber schon 1967 isolierten sie resistente Pneumokokken, zehn Jahre später spürten sie die ersten multiresistenten Keime auf. Heute wüten sie in Krankenhäusern und kosten vielen Patienten das Leben. „Das Waffenarsenal gegen multiresistente Keime wird immer kleiner, daher müssen wir neue Wirkstoffe finden“, sagt Professor Kai Muffler, an der TH Bingen verantwortlich für das Projekt „Optimierung der Produktion antimikrobieller Wirkstoffe von terrestrischen Cyanobakterien“. Der Bedarf an neuen Wirkstoffen ist immens, es gilt, neue Quellen zu finden und diese anzuzapfen.

"Das Waffenarsenal gegen multiresistente Keime wird immer kleiner ..."

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Wettlauf mit den Keimen

Das Projekt

Seit Jahrzehnten zeigt das Katz- und Maus-Spiel zwischen Mensch und Bakterium die gleichen tragischen Züge. Forscher und Pharmaindustrie entwickeln neue, antibiotische Substanzen, schon bald lassen Bakterien die Muskeln spielen und setzen Resistenzen dagegen. Im Wettlauf mit den Keimen setzt Professor Kai Muffler auf Cyanobakterien. Seit drei Milliarden Jahren leben sie erfolgreich auf der Erde, in Gewässern und an Land. Im Gegensatz zur aquatischen Form, also solchen, die im Wasser leben, sind terrestrische, auf dem Land lebende Cyanobakterien bisher wenig erforscht. „Dort vermuten wir Schätze, die wir heben sollten“, sagt Professor Muffler. Terrestrische Cyanobakterien wachsen auch unter nährstoffarmen Bedingungen und haben eine enorme Hitze- und CO2-Toleranz. Fähigkeiten, die sie in den Fokus der Forscher rückten, als vielversprechende Quelle für Wirksubstanzen. Professor Muffler schränkt aber ein: „Terrestrische Cyanobakterien sind schwerer zu händeln als aquatische, weil sie normalerweise eine Oberfläche brauchen, auf der sie wachsen können."

Die Fähigkeiten der Organismen nutzen

Die Forscher brauchen also Produktionsoberflächen, auf denen sie die an Land lebenden Mikroorganismen kultivieren können. In der Natur wachsen sie auf Bäumen oder Steinen, und sie leben grundsätzlich in Biofilmen, die sie schützen – unter anderem vor dem Austrocknen. Dieser Schutzmechanismus unterstreicht die ökologische Rolle der Bakterien in nährstoffarmen Wüstengebieten: Dort stellen sie vermutlich den größten Anteil der Biomasse dar und leisten einen deutlichen Beitrag zur Stickstofffixierung und Bodenstabilisierung. Wie aber kann man die terrestrischen Cyanobakterien im Labor kultivieren und diesen Schutzmechanismus und die Fähigkeiten der Organismen nutzen? Vor dieser Frage standen Forscher an der TU Kaiserslautern im Jahr 2010, als der Startschuss für die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschungsarbeiten fiel. Es galt, einen geeigneten Reaktortyp zu entwickeln, der eine optimale Kultivierung terrestrischer Cyanobakterien garantierte. In einer Kooperation des Lehrgebiets Bioverfahrenstechnik (Professor Roland Ulber und Dr. Kai Muffler) und der Ökologie (Juniorprofessor Michael Lakatos) startete die Entwicklung eines Prototyps.

„Dort vermuten wir Schätze, die wir heben sollten."

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Zielsetzung

Versteht man Bakterien als winzige Fabriken, die werthaltige Produkte erzeugen und so der Industrie und letztlich den Menschen dienen, dann gilt es, die Fabriken in Schwung, sprich produktiv zu halten. Gerade, wenn es um die Entwicklung und Marktetablierung neuer Antibiotika geht. Ziel des in Kooperation mit der TU Kaiserslautern verfolgten Binger Forschungsprojektes ist es, die terrestrischen Cyanobakterien an eine andere Ernährung anzupassen. Auf diese Weise können die Forscherinnen und Forscher möglicherweise bessere Ergebnisse bei der Produktion von Wertstoffen erzielen. „Wir entschlüsseln die Struktur der antimikrobiellen Wirkstoffe und nutzen verschiedene Kultivierungssysteme, zum Beispiel Schüttelkolben oder Bioreaktoren. Letztendlich wollen wir ein Prozessmodell etablieren“, sagt Professor Kai Muffler.

Vorgehen

Im ab 2010 entwickelten Fotobioreaktor lassen sich die Cyanobakterien so kultivieren, wie sie in der Natur wachsen. Terrestrische Cyanobakterien sind fototrophe Organismen, das heißt, sie nutzen Licht zur eigenen Energiegewinnung. Erster Schritt bei der Kultivierung ist also die Versorgung der Mikroorganismen mit Licht. Dafür sorgen im Reaktor Glasstäbe, die als Lichtwellenleiter fungieren. Die aufgerauten Glasstäbe haben aber noch eine weitere Funktion: die Mikroorganismen haften an ihnen an und wachsen dort. Mit Aerosolnebel werden die Mikroorganismen zusätzlich mit Nährstoffen versorgt. Die klassische Fermentationstechnik setzt jedoch auf die Versorgung der Mikroorganismen mit Kohlenhydraten. Zudem bringt der Lichteintrag in Reaktorsysteme vielfältige Probleme mit sich. Deshalb wollen Kai Muffler und sein Team die Cyanobakterien an eine andere Lebensweise gewöhnen. „Wir verordnen ihnen quasi eine Lichtdiät, gleichzeitig erhöhen wir die Konzentrationen von Nährstoffen, in diesem Fall Zucker, im Nährmedium. Wir trainieren sie, um sie an eine andere Lebensweise anzupassen.“

Entwicklungsstand

Einige Keime haben sich in der bisherigen Forschung als durchaus vielversprechend erwiesen. Die Anpassung der Ernährung der terrestrischen Cyanobakterien mit Zucker macht Fortschritte. Gelingt es, die Mikroorganismen gänzlich ohne Licht zu kultivieren und gleichzeitig geeignete antimikrobielle Wirkstoffe zu isolieren, dann wäre der Schatz der terrestrischen Cyanobakterien zu einem bedeutenden Teil gehoben. Bakterien sind Alleskönner, aber auch der Mensch ist schlau genug, um ihre Fähigkeiten zu nutzen.

Forschungskolleg iProcess

Eine erste Auskopplung auf der Basis der Forschung von Professor Kai Muffler gibt es bereits: Das „Forschungskolleg iProcess“, ein Verbundprojekt der Technischen Universität Kaiserslautern, der Hochschule Trier und der Technischen Hochschule Bingen. Es wird vom rheinland-pfälzischen Wissenschaftsministerium mit 250.000 Euro jährlich unterstützt. Das Kolleg dient Doktorandinnen und Doktoranden dazu, wichtige verfahrenstechnische Grundlagen zu erlernen, bei denen Mikroorganismen als Wertstoffproduzenten zum Einsatz kommen.

Gefördert durch:

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Projektverantwortliche
  • Prof. Dr.-Ing. Kai Muffler , Biotechnologie, Enzym- und Fermentationstechnik, Bioprozesstechnik und Grundlagen der Mikrobiologie
Beteiligte Disziplinen

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