Naturstoffforschung

© Fraunhofer IME
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Forschungsmotivation

Die Natur hat sich als wertvolle Quelle für kleine, bioaktive Moleküle erwiesen, die zur Vorbeugung und Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden können. Mikrobiell gewonnene Naturstoffe (NPs) spielen als Wirkstoffe in pharmazeutischen, veterinärmedizinischen und landwirtschaftlichen Produkten eine besonders wichtige Rolle. Um diese Erfolgsgeschichte fortzusetzen, müssen kontinuierlich neue chemische Einheiten, die die gewünschten biologischen Eigenschaften aufweisen, entdeckt werden.


Unser Ansatz:


Im Rahmen einer öffentlich-privaten Partnerschaft, wurde die voll funktionsfähige Plattform zur Entdeckung neuer Naturstoffe von Sanofi an das Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie IME übertragen. Im Zuge dessen steht nun der gesamte Arbeitsablauf allen Partnern des IME-BR offen. Dieser deckt alle wesentlichen Kernaspekte, beginnend bei Kultivierung von Mikroorganismen im Milliliter-Maßstab, bis hin zum aufgereinigten Naturstoff, ab.

Darüber hinaus entwickeln wir die an uns übertragenen Techniken ständig weiter und passen sie an die spezifischen Bedürfnisse unserer Kunden an. Das Kernelement unserer Abteilung ist eine der weltweit größten industriellen Stammsammlungen, bestehend aus über 110.000 Mikroorganismen. Die darin abgebildete Biodiversität umfasst vor allem talentierten Naturstoffproduzenten, wie Actinomyceten, Bacilli und Myxobakterien, sowie  eine Vielzahl von Pilzen. Die phylogenetische Vielfalt wird von uns durch systematische Kultivierungskampagnen stets erweitert.  Hierbei fokussieren wir uns besonders auf die Isolierung von seltenen und dementsprechend wenig erforschten Mikroorganismen und bedienen uns dabei u.a. an Droplet-Mikrofluidik-Technologie. Wir verwenden unserer Bioressourcen um mikrobielle Naturstoffextrakte zu generieren und profilieren. Am Ende der Wertschöpfungskette steht meist die Isolierung neuartiger Verbindungen mit potentieller Anwendung in der Human- und Veterinärmedizin (z. B. Antibiotika, Antinematoden) sowie in der Landwirtschaft (z. B. Insektizide, Fungizide, Herbizide). Unterstützt wird dies zusätzlich durch unsere hochmoderne Analytik, der auf einer einzigartigen Referenzdatenbank mit mehr als 1500 Reinsubstanzen zu Grunde liegt.


Unsere Abteilung hat in den letzten Jahren mehrere gemeinsame Forschungsprojekte mit Pharma-, Tiergesundheits- und Agrochemieunternehmen erfolgreich durchgeführt und das Know-how erworben, Kollaborationsprojekte zielgerichtet und fristgerecht durchzuführen.

 

NP-Forschungsplattform:

Projekte am Fraunhofer IME beginnen häufig mit Analysedienstleistungen von Proben und Produkten unserer Partner. Diese Charakterisierungen beinhalten beispielsweise:


•           Bioaktivitätsscreenings
•           Identifizierung bioaktiver Inhaltsstoffe
•           Chemische Dereplikation
•           Produktoptimierung
•           Isolierung von Wirkstoffen

Profitieren Sie von unserer umfangreichen Sammlung von Mikroorganismen, mikrobiellen Naturstoffen, sowie vom Engagement unserer hochqualifizierten Experten, die gerne an Ihren herausfordernden neuen Forschungsprojekten mitarbeiten.

 

Zugang zu unseren einzigartigen Bioressourcen
Die Sanofi-Stammsammlung und damit verbundenen mikrobiellen NP-Extrakten und Reinsubstanzen ist das Erbe von über 7 Jahrzehnten engagierter industrieller Bemühungen, mikrobielle Diversität und deren Produkte im Labor zugänglich zu machen.

Diese einzigartige Sammlung besteht aus 110 000 Mikroorganismen (alle vor 2014 gesammelt, Nagoya konform) und wird bis heute systematisch betreut bzw. kuratiert. So finden sich über 80 000 Actinomyceten, >2000 Myxobakterien, >1000 Firmicutes und mehr als 25 000 Pilze in der Sammlung. Durch spezifische Kultivierungsansätze erweitern wir die Diversität der Sammlung durch selten kultivierte  phylogenetische Zweige, wie z.B. Acidobacteria. Unsere eigens entwickelte Stammmanagement-Software hilft uns die Stammcharge mit biochemischen, genetischen und analytischen „omics“- Daten zu verknüpfen. So ist es uns möglich die Stammbank nach gewünschten Eigenschaften zu durchsuchen und zielgerichtete Kultivierungsansätze durchzuführen. Gleichzeitig können wir so die Datenintegrität unserer Kunden und Kollaborationspartner gewährleisten.

 

Greifen Sie auf unsere Hochdurchsatz-Screening-Plattform zu
Von multiresistenten Bakterien bis zu phytopathogenen Pilzen oder Parasiten wie Helminthen: Die Screening-Plattform des IME-BR bietet eine Vielzahl von Assays zur Identifizierung von Extrakten mit den gewünschten antimikrobiellen/antiparasitären Eigenschaften. Der flexible Workflow ermöglicht einerseits Zugang zu einer Vielzahl bereits etablierter Assays und andererseits die flexible Integration neuer Testsysteme. Automatisiertes Liquid Handling ermöglicht die Testung von Proben geringem Volumens in hohem Durchsatz und garantiert robuste Daten auf Industriestandard.

Neben der Bestimmung der Bioaktivität, können Proben auf enzymatische Aktivität (z.B. Chitinase oder Beta-Lactamase Aktivitität) gescreent werden. PCR-basierte Screenings von DNA-Extraktbibliotheken können verwendet werden, um zielgerichtet Stämme mit spezifischen Eigenschaften zu identifizieren.


Profitieren Sie von unserem einzigartigen Analyseservice
Das IME-BR verfügt über eine hochmoderne UHPLC-HRMS-basierte Analyseplattform für die Analyse von Extrakten. Die Messungen werden an einem Agilent 1290 Infinity® LC-System durchgeführt, das mit einem maXisII ™ (Bruker Daltronics) ESI-QTOF - ultrahoch auflösenden Massenspektrometer gekoppelt ist.

Metabolomische  Ähnlichkeitsanalysen und automatische Annotation bekannter Naturstoffe mittels interner Datenbanken gewähren wertvolle Einblicke in die zu untersuchenden Proben. Dabei kann die Annotationsdatenbank durch projektspezifische Verbindungsklassen erweitert werden (z. B. bekannte Antimykotika, Herbizide und Toxine). Unter Verwendung der sogenannten „Mikrofraktionierung“, kann die im Primärscreening beobachtete Bioaktivität eines Rohextraktes, einer oder mehrere Substanzen zugeordnet werden. Somit können Substanzen in Gemischen (Extrakten) unabhängig voneinander untersucht werden.

Die Analyse der UV-, MS- und MS/MS-Daten beinhaltet u.a. Datenbankabgleiche (interne und kommerzielle Stoffdatenbanken) und eine offline Ähnlichkeitsberechnung der Fragmentierungsmustern aller detektierter Verbindungen zu Datenbanksubstanzen  („molecular networks“).

Publikationen

Hiebert, N.; Kessel, T.; Skaljac, M.; Spohn, M.; Vilcinskas, A.; Lee, K. Z., The Gram-Positive Bacterium Leuconostoc pseudomesenteroides Shows Insecticidal Activity against Drosophilid and Aphid Pests. Insects 2020, 11 (8).

Marner, M.; Patras, M. A.; Kurz, M.; Zubeil, F.; Förster, F.; Schuler, S.; Bauer, A.; Hammann, P.; Vilcinskas, A.; Schäberle, T. F.; Glaeser, J., Molecular Networking-Guided Discovery and Characterization of Stechlisins, a Group of Cyclic Lipopeptides from a Pseudomonas sp. Journal of Natural Products 2020, 83 (9), 2607-2617.

Oberpaul, M.; Zumkeller, C.M.; Culver, T.; Spohn, M.; Mihajlovic, S.; Leis, B.; Glaeser, S.P.; Plarre, R.; McMahon, D.P.; Hammann, P.; Schäberle, T.F.; Glaeser, J. and Vilcinskas, A. (2020) High-Throughput cultivation for the selective isolation of Acidobacteria from termite nests. Frontiers in Microbiology, 11(597628).

Imai, Y.; Meyer, K. J.; Iinishi, A.; Favre-Godal, Q.; Green, R.; Manuse, S.; Caboni, M.; Mori, M.; Niles, S.; Ghiglieri, M.; Honrao, C.; Ma, X.; Guo, J. J.; Makriyannis, A.; Linares-Otoya, L.; Böhringer, N.; Wuisan, Z. G.; Kaur, H.; Wu, R.; Mateus, A.; Typas, A.; Savitski, M. M.; Espinoza, J. L.; O’Rourke, A.; Nelson, K. E.; Hiller, S.; Noinaj, N.; Schäberle, T. F.; D’Onofrio, A.; Lewis, K., A new antibiotic selectively kills Gram-negative pathogens. Nature 2019, 576 (7787), 459-464

Skaljac, M.; Vogel, H.; Wielsch, N.; Mihajlovic, S.; Vilcinskas, A., Transmission of a Protease-Secreting Bacterial Symbiont Among Pea Aphids via Host Plants. Frontiers in physiology 2019, 10, 438.

Hirsch, R.; Wiesner, J.; Marker, A.; Pfeifer, Y.; Bauer, A.; Hammann, P. E.; Vilcinskas, A., Profiling antimicrobial peptides from the medical maggot Lucilia sericata as potential antibiotics for MDR Gram-negative bacteria. Journal of Antimicrobial Chemotherapy 2018, 74 (1), 96-107.

Dardić, D.; Lauro, G.; Bifulco, G.; Laboudie, P.; Sakhaii, P.; Bauer, A.; Vilcinskas, A.; Hammann, P. E.; Plaza, A., Svetamycins A–G, Unusual Piperazic Acid-Containing Peptides from Streptomyces sp. The Journal of Organic Chemistry (2017), 82 (12), 6032-6043.

Fox, J. Fraunhofer to mine Sanofi microbial collection. Nat Biotechnol 32, 305 (2014). https://doi.org/10.1038/nbt0414-305a