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Gelöste organische Stoffe im Meer: ein riesiger und unerforschter molekularer Raum

  • Teresa S. Catalá, Spencer Shorte und Thorsten Dittmar

Applied Microbiology and Biotechnology Band 105, Seiten 7225–7239 (2021)



Abstrakt



Die gelösten organischen Stoffe im Meer (DOM) umfassen einen riesigen und unerforschten Molekülraum. Das meiste davon befand sich über Tausende von Jahren in den Ozeanen. Es ist eines der vielfältigsten bekannten Molekülgemische, das aus Millionen von Einzelverbindungen besteht.


Mehr als 1 Eg dieses Materials ist auf der Erde vorhanden. Als solches stellt es eine beeindruckende Quelle von Naturstoffen dar, die ein erhebliches Potenzial für neue biotechnologische Zwecke versprechen. Es wurde viel Wert darauf gelegt, die Rolle von DOM in den biogeochemischen Kreisläufen und bei der Abschwächung des Klimas, seine Lebensdauer, die Interaktion mit Mikroorganismen sowie seine molekulare Zusammensetzung zu verstehen. Die Untersuchung der Bioaktivität von DOM steckt jedoch noch in den Kinderschuhen, vor allem weil sie aufgrund der chemischen Komplexität des Materials eine technische Herausforderung darstellt. Es ist von großem Interesse, Technologien zu entwickeln, mit denen sich die Bioaktivität von DOM besser erkennen lässt.


Moderne Screening-Technologien eröffnen neue Wege, die eine beschleunigte Identifizierung der Bioaktivität kleiner Moleküle aus Naturprodukten ermöglichen. Diese Methoden verringern a priori die Notwendigkeit einer aufwändigen chemischen Fraktionierung. Wir untersuchen hier die Anwendung ungezielter Metabolomik und multiplexer molekular-phänotypischer Screening-Techniken mit hohem Durchsatz, die erste Einblicke in bisher nicht nachweisbare DOM-Bioaktivitäten liefern.


Wichtige Punkte


- Marine DOM sind eine riesige, unerforschte biotechnologische Ressource.

- Ungezielte Bioscreening-Ansätze für das Screening von Naturstoffen sind im Kommen.

- Es werden Perspektiven für die Entwicklung von Bioscreening-Plattformen für marine DOM diskutiert.


Einführung

 

Natürliche Produkte (NP) aus Pflanzen werden seit Jahrtausenden in verschiedenen Bereichen der traditionellen Medizin verwendet (Chassagne et al. 2019) und stellen laut der Weltgesundheitsorganisation (WHO) für ca. 80% der Bevölkerung in Entwicklungsländern (Farnsworth et al. 1985). Dementsprechend konzentrieren sich Pharmaunternehmen seit drei Jahrzehnten bei der Entdeckung von Arzneimitteln auf das Screening chemischer Bibliotheken mit reinen Wirkstoffen, die aus "medizinischen" Pflanzen isoliert wurden (Strebhardt und Ullrich 2008).



Daher dominiert das Paradigma der "magischen Kugel" in Form von industrialisierten, zielgerichteten Screening-Kampagnen zur Entdeckung von Wirkstoffen, die immer größere chemische Bibliotheken (d. h. mehr als 2 Millionen Verbindungen) durchforsten. Diese Bemühungen haben jedoch eine hohe Abbruchquote und nur begrenzten Erfolg bei der Entdeckung neuer erstklassiger Arzneimittel (Chassagne et al. 2019). In diesem Szenario wird die Suche nach dem Potenzial von NPs durch technische Einschränkungen erschwert, z. B. durch die Notwendigkeit, biologische Aktivitäten nachzuweisen und die verantwortlichen Wirkstoffe zu isolieren. Daher wird aktiv nach neuen Screening-Strategien gesucht (Horvath et al. 2016).


Im Vergleich zu den chemischen Gerüsten bekannter Medikamente umfassen NP einen größeren und anderen chemischen Raum als synthetische Derivate (Feher und Schmidt 2002; Ganesan 2008; Grabowski und Schneider 2007), und dennoch sind weniger als 20 % der Kernstrukturen und Gerüste von NP in kommerziellen Substanzbibliotheken vertreten (Hert et al. 2009). In diesem Sinne stellen die chemische Vielfalt, die strukturelle Komplexität und die biologische Selektivität von NP sowohl eine Chance als auch eine technische Herausforderung für die Entwicklung neuer Arzneimittel dar (Atanasov et al. 2015; Clardy und Walsh 2004).


Auffallend ist, dass die meisten NP aus Pflanzen stammen, während viele der heute nützlichsten Arzneimittel aus bakteriellen Quellen stammen (Bérdy 2005). Die meisten bakteriellen Metaboliten werden im Labor isoliert, und nur eine kleine Teilmenge ist auf der Ebene der biologischen Chemie, die ihrer natürlichen Produktion zugrunde liegt, verstanden (Davies 2006; Ueda 2021). Das Verständnis, wie Mikrobeninteraktionen und die Mikroumgebung die Metabolitproduktion und die Biosynthese von NP beeinflussen, ist ein aktives Forschungsgebiet (Burgess et al. 1999; Patin et al. 2018; Traxler et al. 2013; Trischman et al. 2004), insbesondere im Zusammenhang mit Meeressedimenten (Tuttle et al. 2019). Dies liegt daran, dass marine NPs den größten Teil der natürlichen Biodiversität unseres Planeten beherbergen (Mora et al. 2011) und zu einer langen Tradition der Suche nach neuen bioaktiven Verbindungen aus marinen Quellen geführt hat (Blunt et al. 2014; Gerwick und Moore 2012).


Marine NPs werden aus Meeresorganismen wie Bakterien (Baran et al. 2011; Mansson et al. 2011; Shin et al. 2010; Wienhausen et al. 2017; Wietz et al. 2010), Mikro- oder Makroalgen (La Barre et al. 2010; Parrot et al. 2019; Payo et al. 2011), Pilzen (Capon et al. 2003; Elnaggar et al. 2016; Höller et al. 2000; Kim et al. 2016; Klemke et al. 2004; Lang et al. 2007; Li et al. 2010; Luo et al. 2004), oder Tiere (Alvarez et al. 2010; Connor und Gracey 2012; Ivanešivic et al. 2011; Karakash et al. 2009; Sarma et al. 2009; Schock et al. 2010; Soanes et al. 2011; Utermann et al. 2018). In den letzten Jahren hat sich die Suche nach neuen marinen NP stark von Makroorganismen auf Mikroorganismen verlagert, wobei 57 % der gemeldeten neuen marinen NP aus marinen mikrobiellen Quellen stammen (Carroll et al. 2019). In diesem Zusammenhang stellt marines gelöstes organisches Material (DOM) einen neuen Paradigmenwechsel im Bereich der blauen Biotechnologie dar. Marine DOM besteht zu einem großen Teil aus kleinen organischen Säuren mit amphiphilen Eigenschaften, die durch Adsorption an hydrophobe Harze aus dem Meerwasser extrahiert werden können und ein bisher ungenutztes Potenzial für die blaue Biotechnologie versprechen (Catalá et al. 2020; Müller et al. 2020). Die Untersuchung des biotechnologischen Potenzials von DOM erfordert jedoch die Bewältigung einer Reihe von technischen Herausforderungen, und es ist eine chemometrische analytische Fraktionierung erforderlich, um spezifische Bioaktivitäten darin zu identifizieren und zu isolieren.




Marine DOM: eine Fülle von Chemikalien


Mariner DOM ist eines der größten Reservoirs an reduziertem organischem Kohlenstoff auf der Oberfläche des Planeten. Ein durchschnittlicher Liter Meerwasser enthält < 1 mg DOM, aber in Anbetracht des riesigen Volumens der Ozeane summiert sich dies zu einem globalen Reservoir von mehr als 1 Ei an DOM (662 ± 32 Pg Kohlenstoff; Hansell et al. 2009). Damit enthält DOM eine ähnliche Menge an Kohlenstoff wie atmosphärisches CO2 (860 Pg Kohlenstoff; Friedlingstein et al. 2019) und enthält mehr als das 200-fache des Kohlenstoffbestands der gesamten marinen Biomasse (Hansell et al. 2009).


DOM wird von allen Organismen im Ozean kontinuierlich freigesetzt, während sie leben und wenn sie sterben. Darüber hinaus werden wasserlösliche Zersetzungsprodukte von Gefäßpflanzen durch Flüsse in den Ozean getragen. Der größte Teil des DOM wird von den Mikroorganismen im Meer schnell abgebaut, aber ein kleiner Teil wird sehr langsam abgebaut und hat sich über mehrere Jahrtausende zu dem beobachtbaren DOM-Pool angesammelt. Marines DOM enthält Millionen verschiedener Verbindungen mit geringer Molekülmasse und ist daher unbestreitbar eines der komplexesten chemischen Gemische der Erde (Dittmar 2015), das extrem niedrige Konzentrationen verschiedener chemischer Bestandteile enthält (Arrieta et al. 2015; Zark et al. 2017).


Viele der DOM-Verbindungen sind alizyklische, organische Säuren mit amphiphilen Eigenschaften (Dittmar und Kattner 2003; Hertkorn et al. 2006; Zark et al. 2017) und sind unabhängig von ihrem aquatischen Ursprung ähnlich aufgebaut (Zark und Dittmar 2018). Während diese allgemeinen strukturellen Merkmale bekannt sind, ist die vollständige Struktur von nur einem sehr kleinen Teil der in DOM enthaltenen Verbindungen bekannt (Dittmar und Stubbins 2014) (Abb. 1).



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