Rolle von Pflanzenmetaboliten auf die Regulierung der bioaktiven Metabolitenproduktion in Cyanobakterien - Omnics Ansatz (CNPreg)

Cyanobakterien sind eine große Gruppe photoautotropher Prokaryonten, die in der Natur allgegenwärtig sind und symbiotische Beziehungen zu einem breiten Spektrum eukaryontischer Wirte einschließlich Pflanzen unterhalten. Diese Interaktionen können auf unterschiedliche Weise erfolgen, sowohl nützlich als auch schädlich. Eine vorteilhafte Symbiose wurde mit Reis durch eine langfristige stabile endophytische Assoziation nachgewiesen. Einige Pflanzen verbessern ihre Infektionschancen, indem sie chemische Signale/chemische Lockstoffe produzieren, um die Bildung von Hormogonien anzuregen und diese in das Pflanzengewebe zu leiten. Über die chemische Kommunikation zwischen dem Wirt und dem Cyanobionten wurde ebenfalls spekuliert, wobei die Rolle von Flavonoiden, Lektinen und anderen kleinen Molekülen erwähnt wurde. Viele Forschungsarbeiten befassen sich mit den metabolischen Veränderungen in Pflanzen während der Symbiose oder bei der Behandlung mit Cyanobakterien oder deren Wachstumsmedien. Der umgekehrte Weg birgt jedoch eine Forschungslücke: Der Einfluss von pflanzlichen Sekundärmetaboliten auf die Regulierung der cyanobakteriellen Metabolitenproduktion.

Cyanobakterien sind produktive Produzenten einer großen Anzahl von Naturstoffen. Etwa 26 % der insgesamt bekannten Metaboliten werden von fadenförmigen Cyanobakterien produziert. Aus biotechnologischer Sicht sind diese Verbindungen auf ein breites Spektrum biologischer Aktivitäten hin untersucht worden, darunter entzündungshemmende, krebsbekämpfende und immunmodulierende Wirkungen sowie eine bedeutende biozide Aktivität gegen wichtige landwirtschaftliche Schädlinge. Die Mitglieder der Gattung Nostoc sind eine der am meisten untersuchten Gattungen von Cyanobakterien oder haben eine symbiotische Verbindung. Bedauerlicherweise wurden die Wechselwirkungen zwischen den Biofilm-bildenden Cyanobakterien und Pflanzen vernachlässigt, die der Metabolitenproduktion zugrunde liegen könnten.

Wir stellten die Hypothese auf, dass die Fähigkeit von Cyanobakterien, bestimmte sekundäre Metaboliten zu produzieren, durch sekundäre Pflanzenmetaboliten ausgelöst oder verändert wird. Sekundäre Pflanzenmetaboliten üben eine breite Palette von Wirkungen auf die Pflanze selbst und auf andere Lebewesen aus. Im Pflanzenreich wurden über 50 000 sekundäre Pflanzenmetaboliten entdeckt, die ein breites Spektrum an Bioaktivität aufweisen. Sie lassen sich in Unterklassen wie Alkaloide, Saponine, ätherische Öle, Flavonoide und viele mehr einteilen. Im Gegensatz zu den von Pflanzen produzierten Metaboliten gibt es nur sehr wenige Daten über Metaboliten, die von Cyanobakterien für ihre chemische Verteidigung produziert werden. Es wurde auch die Hypothese aufgestellt, dass die Produktion von Verteidigungsmetaboliten durch die Anwesenheit von Konkurrenten, Bakterien, Lichtintensität, Temperatur, Nährstoffgehalt und pH-Wert gesteuert wird.

In diesem Projekt werden Pflanzenextrakte als pflanzliche Pseudokonkurrenten verwendet, die die Spektren der Metaboliten von Cyanobakterien verschieben. Das etablierte Konsortium mit der Expertise des Principal Investigators (PI), Dr. Kumar Saurav, in chemischer Isolierung, Reinigung und Genom Mining zusammen mit Dr. Corinna Urmann - Wissen in der Analyse, Extraktion und Synthese von pflanzlichen Naturstoffen und enzym- und zellbasierten Bioaktivitätstests - wird die Entdeckung neuer und weniger bekannter cyanobakterieller Metaboliten ermöglichen und eine tiefgreifende Studie über die Regulation ihrer Produktion erlauben. Um die Ziele des Projekts zu erreichen, wird ein innovativer interdisziplinärer Ansatz verfolgt, der wissenschaftliche Bereiche wie grundlegende Mikrobiologie, analytische Chemie (Omnics) und Bioaktivitätstests (Anti-Virulenz, Schutz- und Regenerationsaktivität) kombiniert.