Antimikrobielle Peptide aus Seeigeln in der Dämmerungszone der Bahía Banderas, Mexiko
Bild von Juan D. Cortes
Der übermäßige Einsatz von Antibiotika in den letzten Jahrzehnten hat bei vielen Mikroorganismen, die einige der gefährlichsten Krankheiten der Welt wie Tuberkulose, Lungenentzündung, Mandelentzündung und andere verursachen, zu Resistenzen geführt. In den letzten Jahren hat die Weltgesundheitsorganisation (WHO) die medizinische Fachwelt dazu aufgerufen, nach alternativen Behandlungsmethoden zu suchen.
Wissenschaftler suchen nach neuen Produkten zur Bekämpfung von Krankheitserregern und erforschen neue Wege, um dieses Problem zu lösen. Ein Beispiel hierfür sind antimikrobielle Peptide (AMP). Peptide bestehen aus zehn oder weniger Aminosäuren, die kettenförmig miteinander verbunden sind. Polypeptide und Proteine sind Ketten mit mehr als zehn Aminosäuren; Proteine sind Bestandteil vieler Körpergewebe wie Haare oder Muskeln.
AMP-Moleküle zählen zu den vielversprechendsten Kandidaten für alternative Behandlungsmethoden bei schweren bakteriellen oder Pilzinfektionen. Auch die Bekämpfung von Krebszellen bietet ein potenzielles Anwendungsgebiet. AMPs können Krebszellen mit vergleichsweise geringen Nebenwirkungen angreifen, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Chemotherapien. Darüber hinaus gibt es Hinweise darauf, dass AMPs antivirale Aktivität gegen Viren wie HIV aufweisen.
Welchen Beitrag leisten technische Taucher?
Obwohl diese antimikrobiellen Peptide im Kampf gegen Viren wie HIV oder Krebszellen hilfreich sein können, wird weltweit nur in wenigen Regionen nach ihnen gesucht. Ein potenzieller Suchort ist der Ozean, insbesondere jene Gebiete, in denen besondere Bedingungen Organismen zur Bildung chemischer Substanzen zwingen, um in diesen extremen Umgebungen zu überleben. Die Dämmerzone bietet hierfür vielversprechende Aussichten.
Traditionell beschränkte sich die Meeresforschung größtenteils auf die ersten 30 Meter Meerestiefe, in einigen Fällen auf 40 Meter. In den letzten 20 Jahren hat sich das technische Tauchen jedoch weiterentwickelt, und neue Entwicklungen, Techniken und Ausrüstungen ermöglichen es technischen Tauchern nun, völlig neue Forschungsfelder in der Dämmerungszone zu erschließen. Meeresbiologen können sich diesen neuen Forschungsgebieten nun zuwenden.
Eine Gruppe mexikanischer Meeresbiologen sucht nach neuen antimikrobiellen Peptiden in Seeigeln, die in der Dämmerungszone leben. Ziel ist es, Seeigel zu sammeln, die in Tiefen zwischen 60 m/200 Fuß und 100 m/330 Fuß leben, und aus ihnen neu identifizierte antimikrobielle Peptide zu extrahieren.
Der Einsatz von Tauchern bietet mehrere Vorteile. Taucher verursachen beim Sammeln von Proben eine geringere Umweltbelastung. Es besteht weder die Gefahr von Beschädigungen durch Netze noch das Risiko von Beifang. Darüber hinaus können Taucher gezielt die für die Tests geeigneten Individuen hinsichtlich Größe, Reifegrad und Art auswählen. Außerdem ist die menschliche Hand im Vergleich zu ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen (ROVs) oder Robotern deutlich geschickter.
Das zu erkundende Gebiet befindet sich in einem Unterwassercanyon im Südwesten der Banderas-Bucht, vor der Küste von Puerto Vallarta, Mexiko. Dieser Unterwassercanyon liegt in einer Tiefe von 1100 Metern und seine Wände bieten den idealen Lebensraum für die entsprechenden Seeigelarten.
In der vom Projekt erfassten Wassertiefe leben mindestens neun Seeigelarten:
Foto von Andreas Jaschek
1. Schieferbleistift Seeigel
2. Kissenseeigel
3. Gekrönter Seeigel
4. Mexikanische Diademe
5. Galoppierender Seeigel
6. Sternenseeigel
7. Purpur-Seeigel
8. Bestickter Seeigel
9. Roter Seeigel
Die Suche nach Seeigeln umfasst drei verschiedene Tauchgänge in Tiefen von 60 m, 80 m und 100 m. Die Forscher werden technische Tauchverfahren für offene und geschlossene Kreislauftauchgeräte anwenden.
Das Vorhandensein einer chemischen Substanz in einem lebenden Organismus hängt von einer Reihe verschiedener innerer und äußerer Faktoren ab. Umweltfaktoren wie Temperatur, Wasserverfügbarkeit und Sauerstoffgehalt beeinflussen alle Organismen. Ebenso wirken sich Meeresdruck und Lichteinwirkung auf Organismen in der Dämmerungszone aus.
Die Hypothese lautet, dass wir im angeborenen Immunsystem von Seeigeln neue antimikrobielle Peptide finden können. Dies wäre auf die einzigartigen Bedingungen wie niedrige Temperaturen, reduzierte Lichtexposition, niedrigen Sauerstoffgehalt und hohen Druck in der Dämmerungszone zwischen 60 m/200 m und 100 m/330 m zurückzuführen.
Warum Seeigel?
Antimikrobielle Peptide bilden die chemische Grundlage des angeborenen Immunsystems von Seeigeln. Diese chemischen Verbindungen entwickelten sich in Organismen, die seit etwa 450 Millionen Jahren auf der Erde leben. AMPs finden sich in primitiven Organismen wie Stachelhäutern oder in moderneren und erst kürzlich entwickelten Tieren wie Säugetieren.
Stand 2018 sind uns über 2600 antimikrobielle Peptide bekannt, die antibakterielle, krebshemmende oder antivirale Eigenschaften aufweisen. Alle diese antimikrobiellen Peptide stammen aus weit verbreiteten Organismen. Eine Organismengruppe ist jedoch aufgrund ihrer Einfachheit und ihres uralten Ursprungs von besonderer Bedeutung: Seeigel, eine der fünf Klassen der Stachelhäuter. Weltweit erforschen derzeit einige Wissenschaftler Seeigel und ihre antimikrobiellen Peptide (AMPs) und haben bereits positive Ergebnisse bei der Suche nach neuen antimikrobiellen Peptiden erzielt, die zur Behandlung von Infektionen beim Menschen eingesetzt werden können.
Es gibt viele Gründe, warum die Suche nach neuen antimikrobiellen Peptiden (AMPs) wichtig ist. Ein Grund ist, dass Bakterien, ähnlich wie bei Antibiotika, auch gegen AMPs Resistenzen entwickeln können. Mehr AMPs bedeuten mehr Auswahlmöglichkeiten und ein breiteres Spektrum an Behandlungsmethoden gegen Infektionskrankheiten.
Seeigel, kleine, Tauchern wohlbekannte Lebewesen, besitzen einen einfachen Körperbau. Er besteht aus einem weichen Körperkern und einem harten Außenpanzer mit scharfen Stacheln, die Tauchern schmerzhafte Verletzungen zufügen können.
Seeigel leben normalerweise in flachen Gewässern zwischen Felsen oder in Kelpwäldern. Man findet sie jedoch in nahezu allen Meeresgebieten, von den Tropen bis zu den arktischen Meeren und von der Küste bis in die Tiefsee.
Aus Sicht dieser Forschung ist das wichtigste Merkmal von Seeigeln ihr angeborenes Immunsystem, das Infektionen bekämpft. Dieses System befindet sich im Coelom, genauer gesagt in den Coelomzellen. In diesem weichen Körperteil enthalten Seeigel Coelomflüssigkeit mit zahlreichen suspendierten Zellen, insbesondere Coelomocyten. Diese transportieren das chemische Arsenal ihres angeborenen Immunsystems, darunter antimikrobielle Peptide. Aufgrund dieser Peptide ist das Interesse der Wissenschaftler an Seeigeln groß.
Wie wirken antimikrobielle Peptide?
Das angeborene Immunsystem der ersten Organismen auf unserem Planeten nutzte Peptide als erste Verteidigungslinie. Anfänglich entwickelte jeder Organismus ein eigenes angeborenes Immunsystem mit eigenen Peptiden, die infektiöse Zellen abtöten konnten. Im Laufe der Zeit entwickelten einige Organismen jedoch möglicherweise ein immunologisches Gedächtnis durch antimikrobielle Peptide, die infektiöse Zellen bekämpften. Diese Wechselwirkung könnte chemische Mechanismen hervorgebracht haben, die diesen primitiven Organismen bei der Abwehr von Bakterien oder Pilzen halfen. Auch höher entwickelte Organismen nutzten diese Peptide aus denselben Gründen. Dies gilt als Beleg dafür, dass alle Lebewesen durch ihr Immunsystem und insbesondere durch diese Peptide miteinander verbunden sind.
Die Wirkungsweisen antimikrobieller Peptide zur Abtötung von Mikroben sind vielfältig und können sich je nach Bakterienart unterscheiden. <sup>4</sup> Eine Möglichkeit, wie diese Moleküle Zellen wie Bakterien oder Krebszellen zerstören können, besteht darin, als chemischer Schlüssel in Zellmembranen zu wirken. Alle Zellen besitzen spezifische Proteine, die für den Zugang zu Nährstoffen und für die Übermittlung spezifischer chemischer Informationen verantwortlich sind. Nachdem ein spezifisches antimikrobielles Peptid identifiziert wurde, können Wissenschaftler es nutzen, um diese „Türen“ offen zu halten. Die Zielzellen lysieren dann, da sie entweder Zellflüssigkeit verlieren oder ihr Volumen vergrößern, was zu einem Ungleichgewicht in ihren internen Regulationsprozessen führt. Beide Situationen enden mit der Zerstörung der Zellen.
Wie geht es weiter?
Im Jahr 2017 wurde während einer geplanten Expedition in 50 m Tiefe eine Seeigelart entdeckt. Im Labor wurden drei verschiedene antimikrobielle Peptide extrahiert und gegen zwei verschiedene Bakterienarten positiv getestet.
Im Jahr 2018 werden vier weitere Expeditionen organisiert, um mehr Organismen aus den drei Zieltiefen zu sammeln und die Extraktion und Reinigung von Peptiden fortzusetzen sowie diese Peptide gegen Bakterien und Krebszellen zu testen.
Referenzen
1. Lalezari, JP; Eron, JJ; Carlson, M; Cohen, C; Dejesus, E; Arduino, RC; Gallant, JE; Volberding, P; et al. (2003). „Eine klinische Phase-II-Studie zur Langzeitsicherheit und antiviralen Aktivität einer Enfuvirtid-basierten antiretroviralen Therapie“. AIDS (London, England). 17 (5): 691–8. doi:10.1097/01.aids.0000050825.06065.84 (inaktiv seit 24.08.2017). PMID 12646792.
2. Greenberg, ML; Cammack, N (2004). „Resistenz gegen Enfuvirtid, den ersten HIV-Fusionsinhibitor“. Journal of antimicrobial chemotherapy. 54 (2): 333–40. doi:10.1093/jac/dkh330. PMID 15231762.
3. Chua SL, Tolker-Nielsen T, Kjelleberg S, Givskov M, Yang L (2013). „Bis-(3′-5′)-cyclisches dimeres GMP reguliert die antimikrobielle Peptidresistenz in Pseudomonas aeruginosa“. Antimicrobial Agents and Chemotherapy.
4. Nguyen LT, Haney EF, Vogel HJ (2011). „Das erweiterte Spektrum antimikrobieller Peptidstrukturen und ihrer Wirkungsweisen“. Trends in Biotechnology. 29 (9): 464–472. doi:10.1016/j.tibtech.2011.05.001. PMID 21680034.
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Verfasst von José Luis Arreola
José Luis Arreola erwarb seinen Bachelor of Science (Meeresbiologie) an der Universidad Autónoma de Baja California Sur (UABCS) und seinen Master of Science (Naturressourcenmanagement) am CICIMAR-IPN. Derzeit promoviert er an der Universidad de Guadalajara. Seinen ersten Tauchschein machte er im Alter von 12 Jahren bei CMAS und verfügt über 36 Jahre Taucherfahrung. Seit 1998 ist er Tauchlehrer und besitzt Zertifizierungen von PADI, NAUI, SSI, IANTD, NACD und GUE. Er absolvierte den Scripps Scientific Diving Instructor Training Course und bildete sich an der University of Hawaii in Unterwasserprobenahmetechniken weiter.
