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Damit Antibiotika wieder wirken

Evi Stegmann untersucht in der Mikrobiologie Produkte, die von Bodenbakterien hergestellt werden

Bakterien produzieren viele für den Menschen potenziell nützliche Stoffe, darunter auch Antibiotika. Wie das funktioniert und wie diese Stoffe für den Menschen nutzbar gemacht werden können, erforscht die Wissenschaftlerin Evi Stegmann an der Uni Tübingen.

23.06.2014
  • Patricia Lang

Tübingen. Warum entscheidet man sich für ein Biologiestudium? Für Evi Stegmann war das eine klare Sache. Heute schmunzelt sie ein bisschen darüber: „Der Beweggrund für ein Studium der Biologie war der Umweltschutz: Wir wollten damals alle zur Rettung der Natur beitragen.“ Mit diesem Ziel vor Augen kam sie nach dem Abschluss ihrer Diplomarbeit zu Promotion nach Tübingen. Mittlerweile forscht die habilitierte Wissenschaftlerin mit ihrer Arbeitsgruppe in der Abteilung Mikrobiologie/Biotechnologie des Interfakultären Instituts für Mikrobiologie und Infektionsmedizin (IMIT) der Uni Tübingen.

Während ihrer Diplomarbeit am Lehrstuhl Biotechnologie an der Universität Kaiserslautern isolierte sie Stoffe aus Pilzen, die diese beispielsweise zur Abwehr gegen Bakterien oder andere Pilze produzieren. Die Arbeit mit Naturstoffen ist auch heute noch ihr Hauptforschungsinteresse. Im Unterschied zu damals arbeitet sie jetzt an der Erforschung sekundärer Stoffwechselprodukte von Bakterien, die auch in der Erde jedes Gartens heimisch sind.

Diese harmlosen Bodenbakterien, sogenannte Actinomyceten, produzieren eine ungewöhnlich große Bandbreite unterschiedlicher Stoffe, auch Antibiotika. Ein Interessenschwerpunkt der Forscherin ist das Antibiotikum Balhimycin, das einem anderen Antibiotikum sehr ähnlich ist: dem bereits bekannten Vancomycin. Dieses wird als Reserveantibiotikum bei lebensbedrohlichen Infektionen eingesetzt. Allerdings gibt es mittlerweile gegen dieses Antibiotikum zunehmend resistente Bakterien.

Hier setzt die Arbeit von Stegmann an. Ein entscheidender Schritt ihrer Forschung war die Aufklärung des Biosynthesewegs von Balhimycin durch ihre Gruppe. „Nur das umfassende Verständnis der Produktion ermöglicht es uns, gezielt in die Synthese einzugreifen“, erklärt sie. So könnten jetzt neue, verbesserte Formen von Balhimycin, sogenannte Derivate, hergestellt werden, die geringere Nebenwirkungen haben und sogar gegen die resistenten Bakterien wirken.

Da Antibiotika-resistente Bakterien in der Medizin mehr und mehr zum Problem werden, ist die Aufklärung der zugrunde liegenden Mechanismen ein hochaktuelles Thema. Deswegen ist die Erforschung dieser Resistenzmechanismen ein weiteres Kernthema der Arbeitsgruppe Stegmann (siehe Infokasten).

Antibiotika produzierende Bakterien haben Schutzmechanismen entwickelt, um nicht Opfer ihrer eigenen Verteidigungswaffen zu werden. „Es ist durchaus möglich, dass genau dieser Eigenschutz eine Quelle des Resistenzerwerbs für Pathogene ist“, sagt die Forscherin

Neben der Arbeit an Antibiotika beschäftigt ein zweites, großes Thema die Wissenschaftler um Evi Stegmann. Hier liegt das Augenmerk auf einer anderen Gruppe von bakteriellen Sekundärprodukten, den Komplexbildnern. Dabei handelt es sich um chemische Moleküle, die Metall-Ionen binden können. Dadurch „verstecken“ sie teilweise unerwünschte Eigenschaften der Metall-Ionen.

„Im Alltag findet man diese Komplexbildner nahezu überall, im Waschmittel oder in Kosmetika genauso wie in der Papierindustrie oder der Medizin“, sagt die zweifache Mutter. Der am häufigsten eingesetzte Komplexbildner ist „Ethylendiamintetraessigsäure“, kurz EDTA. Dieser Stoff hat jedoch einen entscheidenden Nachteil – er kann nicht biologisch abgebaut werden und ist damit umweltschädlich. Seit Beginn ihrer Doktorarbeit 1996 forscht Stegmann daher an einem von Bodenbakterien hergestellten Ersatzstoff für EDTA, an „Ethylendiamindisuccinat“ (EDDS).

Den Durchbruch in diesem Projekt hatte die Wissenschaftlerin allerdings erst vor zwei Jahren, fast 13 Jahre nach Abschluss ihrer Promotion. Bakterien zur Herstellung von Chemikalien müssen unter industriellen Fertigungsbedingungen ausreichende Mengen des gewünschten Stoffs produzieren. Für Stegmanns EDDS produzierende Bakterien war das eine Herausforderung. Das frustrierende Problem: Bakterielle Synthese von EDDS wird schon durch geringste Konzentrationen von Zink gehemmt. Und Zink findet sich in Spuren in sämtlichen Labormaterialien, selbst in einfachen Glaskolben. Um dieses Problem zu lösen, musste die Biologin die Zinkregulation der Biosynthese ausschalten. Da jedoch das Genom „ihrer“ Bakterien noch nicht entschlüsselt war, schlugen viele Versuche, in den Biosyntheseweg von EDDS einzugreifen, fehl.

Seit 2012 ist das Genom nun sequenziert – 2013 konnte Stegmann ein Patent für die veränderte Biosynthese von EDDS anmelden. Der nächste Schritt ist jetzt die Vermarktung des EDTA-Ersatzes. Dabei arbeitet sie eng mit dem Technologietransferbüro der Uni Tübingen zusammen. Letztlich hat sich Stegmanns Einsatz also doch gelohnt; entmutigen ließ sie sich nie, trotz vieler großer und kleiner Hürden.

Geholfen hat dabei sicher auch, dass alle Forschungsprojekte von Stegmann eines gemeinsam haben: „Es ist mir wichtig, dass meine Arbeit sehr anwendungsorientiert ist“, erklärt sie, und vergisst dabei nicht, ihr motiviertes Team und ihren langjährigen Mentor Prof. Wolfgang Wohlleben dankbar zu erwähnen. So konnte sich Evi Stegmanns Lebenstraum, der Umwelt zu helfen, ein Stück weit erfüllen.

Evi Stegmann untersucht in der Mikrobiologie Produkte, die von Bodenbakterien hergestellt werden
Die Mikrobiologin Evi Stegmann prüft im Schüttelraum ihres Labors einen Kolben mit Antibiotika produzierenden Bakterien. Das kleine Bild unten links zeigt eine Petrischale mit Bodenbakterien (Actinomyceten). Bild: Sommer

Evi Stegmann untersucht in der Mikrobiologie Produkte, die von Bodenbakterien hergestellt werden

Antibiotika sind sekundäre Stoffwechselprodukte von Bakterien, also Stoffe, die für die Bakterien nur bedingt lebens- und überlebensnotwendig sind. Mit ihrer Hilfe können sie sich gegen andere Bakterienstämme verteidigen. Dabei hemmen die Antibiotika das Wachstum der Konkurrenten (bakteriostatische Wirkung) oder töten diese ab (bakterizide Wirkung). Um nicht durch ihre eigenen Stoffwechselprodukte angegriffen zu werden, haben die Bakterien Resistenzmechanismen gegen eigenproduzierte Antibiotika entwickelt. Die Gene, die für diesen Selbstschutz verantwortlich sind, können auf pathogene Bakterien übertragen werden.

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23.06.2014, 12:00 Uhr

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