In a breathtaking exploration, scientists at the Royal Botanic Gardens, Kew, have identified 74 new plant species and 15 fungi over the past year. These groundbreaking discoveries range from an underground “forest” to spectacular orchids and were found in unlikely places such as the summit of a volcano and clinging to Antarctic rocks.

Nature has once again demonstrated its ability to surprise, with many of these mysterious species urgently requiring protection. Unfortunately, the scientists warn that at least one of these species may have already been lost. Adding to the concern is the revelation that approximately three-quarters of undescribed plants are currently threatened with extinction.

While emphasizing the beauty and wonder of the natural world, the article serves as a stark reminder of the urgent need for biodiversity conservation. The top-10 species newly described to science in 2023 not only showcase the marvels of nature but also sound a warning about the perils of biodiversity loss and climate change.

One of the significant aspects highlighted in the article is the importance of giving a scientific name to these newfound species. According to Dr. Martin Cheek, senior research leader, this is the first step toward implementing protections and exploring potential applications for humanity. Dr. Cheek expresses the sheer sense of wonder that accompanies the discovery of species unknown to the rest of the scientific world and emphasizes its immense significance.

The global discoveries of Kew Gardens for 2023 include three new species of Antarctic fungi, shedding light on the largely unexplored fungal diversity on our planet. The article underscores the potential for discovering new sources of food, medicines, and other active compounds crucial for addressing contemporary challenges.

Among the notable discoveries are an orchid with bright red flowers found on the summit of Mount Nok, an extinct volcano in Indonesia, and an underground palm named Pinanga subterranea discovered on the island of Borneo, Southeast Asia. The article also highlights a peculiar plant, Crepidorhopalon droseroides, from Mozambique, which, though unrelated to other carnivorous plants, uses sticky hairs to attract and potentially digest insects.

Intriguingly, a pair of trees was found living almost entirely underground beneath the Kalahari sands of highland Angola, emphasizing the curious and often overlooked aspects of biodiversity. Another discovery in Madagascar reveals a new orchid, Aeranthes bigibbum, which owes its survival to a unique bird species called the helmet vanga.

Beyond these, the article touches on various other discoveries, including fungi growing on food waste in South Korea, a violet-like flower from Thailand, and an indigo-bearing plant from South Africa.

In closing, the article stresses that on average, scientists name about 2,500 new species of plants and fungi each year, yet it is estimated that as many as 100,000 plants remain formally unidentified. The figure is even higher for fungi, underscoring the vastness of unexplored biodiversity on our planet.

While not conducting this specific research, the Society for Natural and Drug Research (GENAWIF) aligns its mission with understanding and applying the potential of natural substances. As these discoveries shed light on the untapped richness of our natural world, stay tuned for updates from GENAWIF, committed to supporting companies exploring active compounds for medicine and agriculture.

You can read the articel here: https://www.bbc.com/news/science-environment-67930823

Dr. André Bachmann, Professor of Pediatrics at Michigan State University and a collaborator with Genawif, has been honoured with the 2023 NYIPLA “Inventor of the Year Award” for US Patent No. 11,273,137 B2. The New York Property Law Association makes its award annually. The Patent describes the re-purposing of the FDA-approved  drug difluoromethylornithine for the treatment of a rare genetic disorder called Bachmann-Bupp Syndrome. The award is shared by Dr. Bachmann, Dr Bupp and Dr. Rajasekaran and will be presented on 10th May in New York.

https://www.linkedin.com/posts/new-york-intellectual-property-law-association-nyipla-_the-new-york-intellectual-property-law-association-activity-7054521834423115776-SIyA/?utm_source=share&utm_medium=member_ios

Unser Vorsitzender Dr. Martin Gruhlke hielt am 07.02.2023 bei der von der IHK Aachen und dem Projekt Bio4MatPro an der RWTH Aachen einen Vortrag zum Thema Nutzungsoptionen der Brennnessel und nahm an der anschließenden Podiumsdiskussion teil. Neben der Nutzung von Brennnesselfasern als mechanisch sehr stabile und hochwertige Rohstoffe für die Textilindustrie und die Herstellung von biobasierten Faserverbundstoffen wurden die anderen, sehr vielfältigen Verwertungsmöglichkeiten der Brennnesselpflanze wie Proteinproduktion oder Pflanzenölherstellung beleuchtet.

Selen ist ein dem Schwefel sehr ähnliches Element. Die Redoxaktivität, die Schwefel biologisch so bedeutsam macht, ist auch beim Schwefel gegeben. Viele Schwefelverbindungen, wie zum Beispiel die Verbindungen aus Zwiebel- oder Kohlpflanzen sind auch überaus antimikrobiell. In einer Kooperationsarbeit mit der Universität des Saarlandes, der Jagiellonian Universität in Krakau (Polen) und der RWTH Aachen wurden Selenanaloge von s.g. Thiocyanaten, also Selenocyanate hinsichtlich ihrer antimikrobiellen Potenz untersucht. Den gesamten Artikel, der im Journal Antibiotics erschienen ist, finden Sie hier: https://www.mdpi.com/2079-6382/12/2/290

Für nicht-fachkundige Leser wird empfohlen, zuerst einen Blick auf unseren Artikel „Auf die Größe kommt es an – die Notwendigkeit der Umstrukturierung von DNA“ zu werfen. Dort werden die Hintergründe erläutert, warum das Verpacken und Entpacken von DNA ein lebenswichtiger Prozess ist. Hierzu wird die DNA-Größe des Bakteriums Escherichia coli mit seiner Zellgröße verglichen und es wird ein simples Modell der DNA-Verpackung erklärt, welches man zuhause mit etwas Basteln nachstellen kann. Zuletzt wird dort erläutert, wie die Aktivität DNA-verpackender und entpackender Enzyme mit Hilfe der Gelelektrophorese-Technik untersucht werden kann. Diese Technik und deren Anwendung für die Analytik der DNA Gyrase-Aktivität stellt einen wichtigen Teil in dem nun folgenden Artikel dar.

Zusammenfassung

Das essentielle bakterielle Enzym DNA Gyrase ist ein wichtiges Ziel für medizinische Antibiotika. Dieses Enzym ist an der Verpackung von DNA in eine kompaktere Größe innerhalb der Zelle beteiligt, wodurch es in die Prozesse der DNA- und Zellreplikation involviert wird. Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass der Naturstoff Allicin aus Knoblauch ein potenter DNA Gyrase-Hemmer ist, der zudem in vergleichbaren Konzentrationen wirkt wie das Antibiotikum Nalidixinsäure. Allicin ist eine schwefelhaltige Abwehrsubstanz aus Knoblauch, die bei Verletzung von Knoblauch synthetisiert wird, und welche für das typische Knoblaucharoma verantwortlich ist.

Abschnitt 1 – Die bakterielle DNA Gyrase ist ein Ziel für Antibiotika

Bakterien werden aufgrund der Organisation ihrer Zellen auch als Prokaryoten bezeichnet, und medizinische Antibiotika greifen z.B. die prokaryotische Protein- oder DNA-Synthese mit einer hohen Zielspezifität an. Hierdurch wird erreicht, dass ähnliche Prozesse in eukaryotischen Zellen, wie z.B. tierischen oder menschlichen Zellen, nicht oder nur sehr schwach beeinträchtigt werden. Dies gestaltet sich manchmal schwierig, da die Mitochondrien, die uns mit Energie versorgen und deshalb als die Kraftwerke unserer Zellen bezeichnet werden, z.B. bakteriellen Ursprungs sind. Sie haben noch Teile der Protein- und DNA-Synthese mit ihren Vorfahren gemeinsam, weshalb die Mitochondrien auch für prokaryotisch wirksame Antibiotika anfällig sein können ^1,2.

Ein berühmtes Bakterien-spezifisch wirkendes Antibiotikum ist z.B. das Penicillin, welches von einigen Pilzen des Genus Penicilliumgebildet wird, und welches von Alexander Fleming im Jahre 1929 beschrieben wurde ³. Der Wirkungsmechanismus von Penicillin ist die Hemmung der Zellwandsynthese bei vielen Bakterien ^4–6Eine Folge des Einsatzes von Antibiotika ist die Entwicklung von Antibiotika-Resistenzen ⁷, weshalb es wichtig ist, ein Arsenal verschiedener Antibiotika mit unterschiedlichen Wirkmechanismen zur Verfügung zu haben, um dagegen gewappnet zu sein.

Ein lebensnotwendiger und ebenfalls Bakterien-spezifischer Faktor für die DNA-Replikation von Bakterien ist das Enzym DNA Gyrase ⁸. Die Gyrase gehört zu der sogenannten Topoisomerase-Proteinfamilie, deren Familienmitglieder an der Verpackung (Kondensation) und Entpackung (De-Kondensation) von DNA beteiligt sind ⁹.

Abschnitt 2 – Allicin aus Knoblauch inhibiert die DNA Gyrase Aktivität

Ein effektiver DNA Gyrase Hemmer ist Nalidixinsäure (Abbildung 1), eine Substanz rein chemischen Ursprungs, welche den ersten Stoff der sogenannten Quinolone-Antibiotika-Klasse darstellte ¹⁰.

In 2020 wurde eine Studie von Jana Foerster (geb. Reiter) und Kollegen über die Hemmung der DNA Gyrase durch den Naturstoff Allicin veröffentlicht ¹¹, einer natürlichen Schwefelverbindung aus Knoblauch (Abbildung 1). Allicin ist ein starkes und zugleich flüchtiges Antibiotikum, welches durch die Verletzung von Knoblauch freigesetzt wird, und das für den typischen Geruch von frisch geschnittenem oder gepresstem Knoblauch verantwortlich ist. Im Vergleich zu anderen Antibiotika wie z.B. Penicillin oder Nalidixinsäure, welche spezifische Angriffsziele in der Zelle haben, greift Allicin viele unterschiedliche Ziele an, da es mit der ungeschützten Thiol-Gruppe der Aminosäure Cystein reagiert, welche essentiell für die Struktur und die Aktivität vieler Enzyme ist ^12,13.

Sobald Allicin mit einer Thiol-Gruppe reagiert, wird diese chemisch oxidiert und es wird eine sogenannte Allyl-Gruppe hinzugefügt, sodass anschließend keine freie Thiol-Gruppe mehr vorliegt (Abbildung 2). Die Addition der Allyl-Gruppe erhöht die Masse des Proteins, und diese Massendifferenz zwischen nicht-allyliertem Protein und allyliertem Protein wurde durch Foerster (geb. Reiter) und Kollegen genutzt, um zu untersuchen, welche Proteine in Pseudomonas Bakterien durch Allicin oxidiert werden ¹¹.

In der Studie wurde außerdem nach potentiellen Resistenzmechanismen gegen Allicin gesucht, indem die thioallylierten Proteine des vom Knoblauch isolierten Pseudomonas fluorescens Allicin Resistant-1 (PfAR-1) mit seinem nahe verwandten aber weniger Allicin-resistenten P. fluorescens Pf0-1 ¹¹verglichen wurden. Die Arbeitshypothese war, dass Proteine, die verhältnismäßig weniger durch Allicin in PfAR-1 thioallyliert werden, möglicherweise einen wichtigen Resistenzfaktor gegen Allicin darstellen.

Die Analyse der Proteine von PfAR-1 und Pf0-1 vor- und nach Allicin-Behandlung erfolgte mit der von Professor Lars Leichert und Kollegen entwickelten OxiCAT Methode ¹⁴, bei der allylierte und nicht-allylierte Proteine durch unterschiedliche Isotopen markiert- und durch eine anschließende Massenanalytik genau identifiziert werden können. In diesem ersten Teil der Studie von Foerster (geb. Reiter) und Kollegen wurde die Proteinuntereinheit A der DNA Gyrase (GyrA) als wichtiger Kandidat identifiziert, da für GyrA ein signifikanter Unterschied im Grad der Oxidation durch Allicin zwischen beiden Bakterienstämmen beobachtet wurde. In Pf0-1 erhöhte sich die Menge an oxidiertem GyrA Protein von 6,3% auf 56,1%, wohingegen für das GyrA Protein in PfAR-1 nur eine Zunahme in der Oxidation von 6,5% auf 10,8% beobachtet wurde. Die Schlussfolgerung dieser Daten war, dass 49,8% aller GyrA Proteine in Pf0-1 durch Allicin oxidiert wurden, aber nur 4,3% aller GyrA Proteine in PfAR-1 ¹¹.

Da die Allylierung des GyrA Proteins in Pf0-1 nicht per se den Schluss zulässt, dass hierdurch die Gyrase auch in ihrer Aktivität beeinträchtigt würde, wurde die Aktivität der DNA Gyrase mit- und ohne Allicin Behandlung in einem enzymatischen Assay untersucht (Abbildung 3).

Zunächst wurde extrahierte pUC19-Plasmid DNA isoliert und mit Hilfe der Topoisomerase I komplett entpackt (relaxiert). Das relaxierte Plasmid diente dann als Substrat für die DNA-Gyrase, welche es in die kompaktere supercoiled-Struktur überführt wurde. Beide DNA-Formen können durch Agarose-Gelelektrophorese voneinander unterschieden werden, da das Agarosegel als Diffusionsbarriere fungiert und sich kompaktere DNA schneller durch das Gel in einem elektrischen Feld bewegen kann als weniger kompakte DNA in einer bestimmten Zeit. Würde die DNA-Gyrase durch eine Vorbehandlung inaktiviert oder ihre Aktivität vermindert werden, dann würde keine oder weniger supercoiled DNA entstehen. Die mit gehemmter Gyrase behandelte DNA würde dann genau so langsam durch das Gel wandern wie komplett relaxierte DNA. Eine klassische Behandlung zur Inaktivierung von Enzymen ist z.B. das Kochen des Proteins, welches zeigte, dass der Assay wie erwartet funktionierte. Bei der eigentlichen Untersuchung mit Nalidixinsäure bzw. Allicin konnte beobachtet werden, dass beide Substanzen in einem vergleichbaren Konzentrationsbereich jeweils potente DNA Gyrase Hemmer sind (Abbildung 3) ¹¹.

Interessanterweise wurde aufgereinigtes GyrA Protein von PfAR-1 genauso stark gehemmt wie aufgereinigtes GyrA Protein von Pf0-1, was bedeutet, dass GyrA von PfAR-1 nicht resistent gegen die Oxidation durch Allicin ist. Um die Geschichte an dieser Stelle kurz zu halten wurde in einer späteren Studie gezeigt, dass PfAR-1 multiple Resistenzmechanismen gegen Allicin besitzt, welche die DNA-Gyrase vor dem Angriff von Allicin schützen ¹⁵. Da die Gyrase selbst kein Resistenzfaktor ist, ist die Identifikation der DNA Gyrase als Angriffsziel durch Allicin eine wichtige Beobachtung, die dazu beiträgt, die antimikrobielle Aktivität von Allicin aus Knoblauch besser zu verstehen ¹¹.

Allicin ist derzeit noch kein Ersatz oder eine Alternative für andere Antibiotika, da noch eine Methode für den gezielten Einsatz von Allicin entwickelt werden muss. Allicin bzw. Knoblauch sollte daher nicht zur Selbstbehandlung benutzt werden, vor allem, da es in übermäßiger Menge schädlich sein kann.

Jan Borlinghaus, 13.10.2022

Referenzen

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Bei der diesjährigen Botaniktagung, ausgerichtet von der Deutschen Botanischen Gesellschaft (www.deutsche-botanische-gesellschaft.de) an der Universität Bonn hielt unser Vorsitzender Dr. Martin Gruhlke einen Vortrag zum Thema „Thioallylierung als Basis für die physiologische Wirkung des Allicins in Knoblauch“ und war zusammen mit Prof. Stanislav Kopriva Session Chair in der Session „Plants and Human Health“. Neben vielen interessanten Vorträgen gab es eine sehr viel interessanten Austausch im Bereich der Pflanzenwissenschaften, die für GENAWIF ein zentrales Element sind.

Zusammenfassung

Der folgende Artikel gibt eine grundlegende Einführung über die Notwendigkeit, die Größe von DNA in einer räumlich begrenzten Zelle zu managen, was anhand eines Größenvergleichs der DNA- und der Zellgröße des Bakteriums Escherichia coli demonstriert wird. Danach wird ein simples Modell beschrieben, welches das Prinzip der DNA-Verpackung veranschaulicht, und welches wortwörtlich mit Stöcken und Fäden zuhause ausprobiert werden kann. Da DNA-Verpackung weitaus komplizierter ist und in der Zelle durch strukturelle Proteine und Enzyme vorangetrieben wird, werden zwei hierfür wichtige Enzyme, die bakterielle DNA-Topoisomerase I sowie die DNA-Gyrase, vorgestellt. Deren Aktivität lässt sich mit einer lang erprobten Labortechnik namens Gelelektrophorese gut untersuchen. Solche Untersuchungen werden dazu genutzt, um neue DNA-Gyrase-Hemmer zu entdecken, die als Antibiotika gegen mikrobielle Infektionen eingesetzt werden können.

Abschnitt 1 – DNA wird genutzt, um enorme Mengen an biologischer Information zu speichern

Sämtliche Information über den Aufbau und die Vorgänge in einer lebenden Zelle, wie z.B. für die Synthese von Proteinen oder genetische Schaltpläne, mit denen eine Zelle auf sich veränderte Umweltbedingungen reagieren kann, sind physikalisch auf DNA-Molekülen gespeichert. Einfach gesagt ist jeder biologische Aspekt eines Organismus in seiner DNA codiert, was ziemlich viel Information ist. Wie wir im folgenden Abschnitt sehen werden, übertrifft die absolute Größe nicht-komprimierter DNA die Größe der Zelle, die die DNA umgibt, was der Grund ist, weshalb DNA zusammengepackt und kondensiert werden muss, um in eine Zelle zu passen.

Abschnitt 2 – Warum eine kompakte DNA-Struktur essentiell ist

Um auf einen Größenvergleich zwischen einem DNA-Molekül und einer Zelle einzugehen, ist eine grundlegende Kenntnis über die Einheiten und Begriffe hilfreich, die im Zusammenhang mit der Größe eines DNA-Moleküls verwendet werden. DNA besteht aus zwei langen Molekülketten, die miteinander interagieren und eine sogenannte DNA-Doppelhelix bilden, eine der bekanntesten Illustrationen für DNA (Abbildung 1). Eine Molekülkette, auch als DNA-Einzelstrang bezeichnet, besteht aus einer Abfolge von chemischen Basen entlang eines Zucker-Phosphat-Rückgrats. Jede Base eines DNA-Strangs paart mit einer Base des anderen Strangs der DNA-Helix, weshalb die Länge eines DNA-Moleküls häufig in Basenpaaren (bp) angegeben wird ¹.

Die chromosomale DNA eines Bakteriums besteht aus den größten DNA-Molekülen einer Zelle und beinhaltet den Großteil der lebensnotwendigen genetischen Information. In den meisten Fällen ist die chromosomale bakterielle DNA ein einziges langes DNA-Molekül, dessen Enden miteinander verbunden sind und so eine Ringstruktur bildet ².

Abschnitt 3 – Escherichia coli´s DNA- und Zellgröße

. Escherichia coli K12 ist ein gebräuchlicher Laborstamm, dessen Chromosom eine Größe von 4,6 Mega-Basenpaaren (Mbp) hat, was 4,6 Millionen bp DNA entspricht ³Da die physikalische Länge eines Basenpaars ca. 0,34 Nanometer entspricht ⁴kann die Länge der chromosomalen DNA von E. coli berechnet werden, nämlich mit 0,34 nm x 4.600.000 bp = 1.564.000 nm. Dies entspricht ungefähr 1,5 mm, also einer Länge, die mit dem menschlichen Auge sichtbar ist (Abbildung 2). Da es sich bei dem Chromosom von E. coli um eine Ringstruktur handelt, ist der Kreisdurchmesser, der mit einem 1,5 mm Faden gebildet werden kann, eine bessere Annäherung für die DNA-Größe. Mit 1,5 mm Kreisumfang hätte ein solche DNA-Ringstruktur einen Durchmesser von ca. 0,5 mm, was ebenfalls noch mit bloßem Auge erkennbar wäre. 

. E. coli Zellen sind annähernd zylindrisch mit einer Länge von 0,002 – 0,004 mm und einem Durchmesser von 0,001 mm ^5–7. Sie haben also eine Größe, die nicht mit dem bloßen Auge sichtbar ist. Die DNA muss also in eine viel kleinere Form gepackt sein, die von Wissenschaftlern als Nucleoid bezeichnet wird ⁸ (Abbildung 2).

Abschnitt 4 – Ein einfaches Model für die Verdichtung von DNA zu einer kompakteren Struktur

Während der Kondensation von DNA verdrillen sich die DNA-Doppelstränge mehrfach miteinander und bilden sogenannte mehrfach-verdrillte Super-Schlaufen (engl.: super coils), was der verpackten oder auch kondensierten DNA-Struktur in einer Zelle entspricht. In dieser kondensierten Form ist die DNA-Größe sehr viel kompakter, vergleichbar mit einem 2-Meter Zollstock, der zusammengefaltet in eine Hosentasche passt.

Ein simples Modell von DNA-Komprimierung kann man mit etwas Bastelei zuhause nachmachen, es braucht dazu zwei Fäden und zwei Stöcke (Abbildung 3). Die zwei Fäden repräsentieren zwei parallele DNA-Stränge, die in der Realität als Doppelhelix vorliegen würden. Wenn jedes Faden-Ende an jeweils einen Stock fixiert ist, sodass beide Fäden parallel zueinander verlaufen, und man dann die Fäden mit Hilfe der Stöcke spannt und verdreht, verdrillt sich die "DNA". Die auf den Fäden liegende Spannung wird abgebaut, sobald man die Stöcke näher zueinander bringt, währenddessen die verdrillten Fäden Schlaufen bilden.

Wie alles in der Biologie ist die Verpackung und Entpackung von DNA ein ziemlich komplizierter Prozess, an dem mehrere Enzyme und strukturelle Proteine beteiligt sind, um die Struktur der DNA zu verändern und zu stabilisieren. Enzyme, die aktiv DNA verpacken -und entpacken gehören zu der sogenannten Topoisomerase-Proteinfamilie (ein gutes Review hierzu gibt es z.B. von Champoux ⁹).

Im Prinzip kann man die DNA einer Zelle mit einem Buch vergleichen, welches die Information über den Aufbau und sämtliche Abläufe in einer Zelle enthält. Eine bestimmte Seite des Buches wird aufgeschlagen (entpackt), um ein Transkript (eine Kopie) einer bestimmten Passage anzufertigen, wonach diese Seite anschließend wieder zugeschlagen (verpackt) wird. Das Transkript wird dann als Anleitung für die Durchführung bestimmter Aufgaben in der Zelle verwendet. DNA-Verpackung und Entpackung sind also essentiell für eine lebende Zelle, und wenn die Enzyme, die an diesen Prozessen beteiligt sind, in ihrer Funktion gehindert werden, ist dies für ein Bakterium meist tödlich. Daher werden in der Medizin z.B. Antibiotika genutzt, die Bakterien-spezifische Topoisomerasen wie die DNA Gyrase hemmen ¹⁰.

Abschnitt 5 – Durch Agarosegel-Elektrophorese kann die Aktivität von Topoisomerasen sichtbar gemacht werden

Das Verpacken und Entpacken von DNA durch die bakterielle DNA Gyrase und die Topoisomerase I können heutzutage sehr einfach in einem Labor untersucht werden. Vorher sollten wir jedoch kurz darauf eingehen, inwiefern diese Enzyme die DNA-Struktur verändern. In einer vereinfachten Darstellung betrachtet ändert die DNA Gyrase die Anzahl an Überschneidungen und damit die Anzahl von Schlaufen von miteinander verdrillten DNA-Strängen, und je mehr Schlaufen, desto kompakter ist die DNA. Dazu hält die DNA-Gyrase zwei DNA-Stränge fest und fixiert diese. Sie schneidet dann einen Strang, führt den nicht geschnittenen Strang durch die entstandene Schnittöffnung und verbindet dann den zuvor geschnittenen Strang wieder ¹⁰Die DNA Topoisomerase I relaxiert aktiv verdrillte DNA, indem sie Stränge schneidet und so eine Entwindung der DNA ermöglicht, bevor die Topoisomerase die getrennten Stränge wieder miteinander verbindet ⁹ (Abbildung 4).

Bisher wurde die DNA-Größe und die Verpackung von DNA anhand des Beispiels von genomischer DNA diskutiert, allerdings ist für die Analytik von DNA die Verwendung kleinerer DNA-Moleküle anstatt chromosomaler DNA sinnvoll. Hierbei sind Plasmide eine gute Wahl. Sie sind ebenso wie die meisten bakteriellen Chromosomen zirkulär und existieren neben dem bakteriellen Chromosom ebenfalls in der Zelle. Allerdings haben sie oft nur einen Bruchteil der Größe eines Chromosoms und liegen in einer höheren Kopienzahl als einer Kopie pro Zelle vor. Da sie einfach von Bakterien zu isolieren und von der genomischen DNA trennbar sind, kann man Plasmide leicht in großer Menge präparieren. Kleine Plasmide sind in der Handhabung auch sehr viel robuster als größere DNA-Moleküle, weshalb sie ein gutes Testmaterial darstellen, um die Aktivität der DNA Gyrase und der DNA Topoisomerase I zu untersuchen (Abbildung 4).

Die Analyse, wie viel Raum DNA-Moleküle in Abhängigkeit von ihrer Struktur beanspruchen, also wie kompakt eine DNA ist, ist recht einfach. DNA-Proben werden dazu mit Hilfe eines Agarose-Gels nach ihrer räumlichen Größe (also nicht nur nach ihrer absoluten Größe!) getrennt.

Ein Agarosegel ist ein Polymer, welches ein dreidimensionales Netz oder Geflecht bildet. Die Größe der Poren in dem Geflecht wird von der Konzentration der Agarose bestimmt, mit der man ein Agarosegel vorbereitet. Je dichter das Geflecht, desto kleiner die Poren, und desto mehr Zeit benötigen DNA-Moleküle, sich durch ein Agarosegel zu bewegen. Da die DNA-Moleküle flexibel sind, schlängeln sie sich Stück für Stück durch die Poren. Je kompakter die DNA-Moleküle sind, desto schneller können sie sich durch das Geflecht bewegen. Hierdurch kann man kompakte von weniger kompakter DNA leicht unterscheiden, da sie in einem bestimmten Zeitfenster unterschiedliche Strecken durch das Gel zurücklegen. Hierbei können die DNA-Moleküle durchaus dieselbe absolute Größe haben (dieselbe Anzahl an bp), aber aufgrund ihrer unterschiedlichen Struktur unterschiedliche Strecken zurücklegen. Die Bewegung der DNA durch das Agarosegel wird durch ein elektrisches Feld erreicht, denn DNA liegt in Abhängigkeit von dem pH-Wert meist als negativ geladenes Molekül vor, welches in einem elektrischen Feld vom negativen elektrischen Pol (Kathode) zum positiven elektrischen Pol (Anode) gezogen wird. Das Gel befindet sich hierfür in einer elektrisch leitenden Salzlösung, wodurch sich elektrisch geladene Teilchen in der Lösung zu den elektrischen Polen bewegen können, und da die DNA in Vertiefungen des Gels geladen wurde, bevor das Feld aufgebaut wird, wird die DNA dazu gezwungen, sich durch das Gel in Richtung Anode zu bewegen (Abbildung 4).

Diese Gelelektrophorese gestützte Analyse der Aktivität von DNA Topoisomerasen kann leicht für die Suche nach neuen DNA Gyrase-Hemmern eingesetzt werden, welche sich als neue einsetzbare Antibiotika erweisen könnten. Obwohl es schon DNA Gyrase-hemmende Antibiotika gibt, ist der Gebrauch von Antibiotika häufig mit der Entwicklung von Antibiotika-Resistenzen begleitet ¹¹, weshalb es vernünftig ist, alternative Antibiotika zu suchen und zu erforschen.

Zum Beispiel wurde die hier geschilderte Methode zur Untersuchung der Topoisomerase-Aktivität genutzt, um den Einfluss des Naturstoffes Allicin aus Knoblauch auf die Aktivität der bakteriellen DNA-Gyrase zu untersuchen ¹². Der Artikel „Allicin aus Knoblauch inhibiert das essentielle bakterielle Enzym DNA Gyrase, ein häufiges Ziel medizinischer Antibiotika“auf unserer GENAWIF-Website wäre also ein idealer Artikel, um an das hier Gelesene anzuknüpfen!

Jan Borlinghaus, 13.09.2022

Referenzen

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9. Champoux, J. J. DNA TOPOISOMERASES: Structure, Function, and Mechanism. Annu. Rev. Biochem. 2001, 0 (errata). https://doi.org/10.1146/annurev.bi.70.010101.200002.
10. Collin, F.; Karkare, S.; Maxwell, A. Exploiting Bacterial DNA Gyrase as a Drug Target: Current State and Perspectives. Applied Microbiology and Biotechnology 2011, 92 (3), 479–497. https://doi.org/10.1007/s00253-011-3557-z.
11. MacLean, R. C.; San Millan, A. The Evolution of Antibiotic Resistance. Science 2019, 365 (6458), 1082. https://doi.org/10.1126/science.aax3879.
12. Reiter, J.; Hübbers, A. M.; Albrecht, F.; Leichert, L. I. O.; Slusarenko, A. J. Allicin, a Natural Antimicrobial Defence Substance from Garlic, Inhibits DNA Gyrase Activity in Bacteria. International Journal of Medical Microbiology 2020, 310 (1), 151359. https://doi.org/10.1016/j.ijmm.2019.151359.

Wenn man etwas untersucht, kann die Untersuchungsmethode die Ergebnisse verzerren. Dies ist ein Problem in vielen Forschungsansätzen, und ein Beispiel dafür ist der Versuch Moleküle zu analysieren, die dem Geruch von Knoblauch zugrunde liegen. Viele analytische Methoden verändern die zu untersuchenden Moleküle, z.B. wenn sie durch Hitze degradiert werden. So ist z.B. Gas-Chromatographie ungeeignet, da hohe Temperaturen dabei routinemäßig eingesetzt werden. Dies gilt ganz besonders für die hitzeempfindlichen, reaktiven und flüchtigen schwefelhaltigen organischen Verbindungen der Zwiebelgewächse, wie z.B. Knoblauch, Bärlauch und Zwiebel, weshalb es schwierig ist zu sagen, ob das, was man findet, auch das ist, was man sucht.

An der RWTH Aachen University wurde deshalb bei gepresstem Knoblauch, Zwiebeln, Bärlauch und sogar menschlichem „Knoblauchatem“ zum ersten Mal eine “on-line” Gasanalyse in Echtzeit bei niedrigen Temperaturen und besonders schonender Ionisierung von Molekülen aus der Luft angewendet, gefolgt von einer hochauflösenden Massenspektrometrie (SESI-Orbitrap-MS). Sobald die Moleküle von der Quelle in die Gasphase übergehen, werden sie vom analytischen Gerät sozusagen eingeatmet und binnen Sekunden bei sehr schonenden Bedingungen unter Vermeidung extremer Temperaturen analysiert. Dadurch wurden einige interessante Aspekte der Lebensmittelchemie aufgezeigt, die man in der folgenden Veröffentlichung der Zeitschrift Food Chemistry nachlesen kann (https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.133804) ¹.

Alan Slusarenko, 22.08.2022

(1)          Mengers, H. G.; Schier, C.; Zimmermann, M.; C. H. Gruhlke, M.; Block, E.; Blank, L. M.; Slusarenko, A. J. Seeing the Smell of Garlic: Detection of Gas Phase Volatiles from Crushed Garlic (Allium Sativum), Onion (Allium Cepa), Ramsons (Allium Ursinum) and Human Garlic Breath Using SESI-Orbitrap MS. Food Chemistry 2022, 397, 133804. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.133804.

Damit unsere Vision von GENAWIF Wirklichkeit werden kann ist es wichtig, mit allen Interessensgruppen Kontakt zu pflegen, zu reflektieren und deren Bedürfnisse und Meinungen zu erfahren. Dazu gehören Wissenschaftler, die Privatwirtschaft, die Öffentlichkeit, und insbesondere die Politik, die ebenfalls im Austausch mit allen Interessensgruppen steht und zugleich den Gestaltungsrahmen für diese schafft. Daher haben wir uns Anfang April mit der Landtagsabgeordneten Ulla Thönnissen bei uns im Verein in der Lukasstraße getroffen. Frau Thönnissen ist Mitglied der CDU und engagiert sich neben ihrer Arbeit als Landtagsabgeordnete ebenfalls ehrenamtlich in verschiedenen Vereinen und ist auch Mitglied des Wissenschaftsausschusses in NRW, wodurch es viele thematische Anknüpfungspunkte zu GENAWIF gibt (https://www.ulla-thoennissen.de/).

Nachdem wir Frau Thönnissen unseren Verein vorgestellt hatten, haben wir zunächst über das Konzept des Vereins in Gegenüberstellung zu einem klassischen Start-Up gesprochen, und welche Gründe uns dazu bewegt haben, den Verein als Rechtsform zu wählen.

Neben der Gründung eines gemeinnützigen Vereins hätte es noch die Möglichkeit gegeben, ein klassisches Start-Up, also ein kleines mittelständiges Unternehmen (KMU) zu gründen. Details wie die Art und Größe des Unternehmens sind schon von Beginn an wichtig, da Förderquoten und Förderprogramme hiervon abhängen. Allerdings wollten wir nicht rein wirtschaftlich agieren, da man sich zwangsweise zur Erhaltung und zum Wachstum eines Unternehmens langfristig auf finanziell profitable Forschung fokussieren muss. Hierdurch wäre es z.B. nicht möglich gewesen, die derzeit noch nicht für die Anwendung bereite Forschung rund um Allicin weiter zu verfolgen, dabei haben Allicin und andere noch im Anfang befindliche Forschungsprojekte ein großes Potential in der Medizin oder der Landwirtschaft, wovon die Gesellschaft in Zukunft enorm profitieren kann.

Stattdessen haben wir den Verein als Organisationsform gewählt. Als Verein sind wir im Gegensatz zu einem KMU häufig auf Kooperationspartner für Förderprogramme angewiesen, was wir aber nicht als Nachteil sehen – im Gegenteil ist es ein großer Vorteil, da beide Partner von den Expertisen und Erfahrungen des anderen profitieren und sich daraus Synergismen ergeben, die alleine nicht zustande gekommen wären.

Wenn man unseren universitären Hintergrund betrachtet lag natürlich die Idee nah, es doch mit der Rechtsform eines klassischen Start-Ups zu versuchen, da gerade universitäre Start-Ups von sehr günstigen Gründungsbedingungen profitieren.

Zusätzlich sind viele Förderprogramme auf Hochschulen als offiziellen Antragssteller beschränkt, wenn es um Förderungen geht, die auf eine universitäre Ausgründung abzielen. Dieser Weg wäre für uns jedoch sehr ungewiss gewesen, da wir alle Energie in Förderausschreibungen investiert hätten, deren Erfolgsaussichten aufgrund der hohen Anforderungen, Konkurrenz und durch (in unserem Fall) noch fehlender Patente häufig sehr gering sind. Neben einer Idee braucht man einfach Glück, zu der richtigen Zeit im richtigen Antragstellerfeld erfolgreich zu sein, und darauf wollten wir uns nicht als einzige Chance verlassen.

Öffentliche und privatwirtschaftliche Forschung sind in der Regel zwei Karriereoptionen für Wissenschaftler*Innen, die uns vor der Gründung von GENAWIF auch zur Verfügung standen, wobei dies streng genommen nicht ganz richtig ist.

Durch das Wissenschaftszeitgesetz ist die Beschäftigung an einer Hochschule auf maximal 12 Jahre begrenzt, nämlich auf 6 Jahre vor der Promotion und 6 Jahre nach der Promotion. Danach kann ein(e) Wissenschaftler*In nur auf eine Entfristung hoffen, wobei nicht befristete Stellen sehr begrenzt sind (https://de.statista.com/infografik/25278/wissenschaftlicher-nachwuchs-an-hochschulen-mit-befristeten-vertraegen/ Bundesbericht Wissenschaftlicher Nachwuchs 2021, https://www.buwin.de/). Alternativ kann sich ein(e) Wissenschaftler*In bis zum Karriereende um Drittmittelfinanzierung bemühen, allerdings ohne Erfolgsgarantie. Die ganze Situation ist vielen wahrscheinlich unter dem Hashtag #ichbinhanna bekannt, welcher die Situation rund um Wissenschaftler*Innen im deutschen Wissenschaftssystem vor einigen Jahren in die öffentliche Diskussion gebracht hat. Auf der dazugehörigen Seite werden die Hintergründe hierzu sehr gut und detailliert dargestellt (https://ichbinhanna.wordpress.com/).

Das ist natürlich keine Perspektive, um sich niederzulassen oder eine Familie zu gründen, was letztendlich dazu führt, dass hochqualifizierte und motivierte Wissenschaftler in die privatwirtschaftliche Forschung oder ins Ausland abwandern, oder ihren Lebensunterhalt mit nicht-wissenschaftlichen Tätigkeiten bestreiten. Es ist allerdings auch klar, dass nicht alle Wissenschaftler*Innen an den Hochschulen ohne eine neue Art von nachhaltigem Gegenfinanzierungskonzept entfristet werden können.

To sum up, we could not have stayed at the University for much longer, and going into industry would have meant abandoning years of research started at the university, because there was no way to continue seriously with our ideas just with spare time after regular work without the required facilities.  Additionally, if we were to work with companies in our role as employees of the University, a significant proportion of money for contract research would go into overhead costs. On the one hand that is justified, because laboratory and administrative infrastructure support of universities needs to be paid for, but the project costs would be much less for a smaller association with a smaller infrastructure, resulting in more money for research instead for maintenance costs.

Wir sehen GENAWIF daher als ein Pionierkonzept, um eine Alternative bzw. ein Bindeglied für Wissenschaftler*Innen zwischen öffentlicher und privatwirtschaftlicher Forschung darzustellen, welches zur Nachahmung anregen soll. Hierbei muss sich der Verein nicht auf rein wirtschaftlich motivierte- oder auf Grundlagenforschung fokussieren, sondern kann beide Aspekte verfolgen, oder besser noch, sie kombinieren. Dies setzen wir z.B. bereits in Kooperationen mit verschiedenen Unternehmen praktisch um, zu denen wir zu gegebener Zeit und Entwicklungsreife mehr bekannt geben können.

Natürlich kann unser Verein nicht dasselbe leisten wie eine Universität, allerdings hat es auch Vorteile, eine kleine Organisation zu sein. Z.B. haben wir während der Universität Auftragsforschung für Firmen betrieben, wobei ein großer Teil des von der Firma zur Verfügung gestellten Geldes in Unterhaltungskosten für die Bereitstellung der universitären Infrastruktur geflossen ist. Das ist natürlich nur fair, denn Betriebskosten für Labor- und Infrastruktur müssen natürlich berücksichtigt werden. Diese sind bei GENAWIF durch unsere Organisationsgröße allerdings sehr viel kleiner, wodurch relativ gesehen mehr Geld in die eigentliche Forschung fließen kann. Neben unserer Netzwerktätigkeit und unserer Öffentlichkeitsarbeit haben wir mit Frau Thönnissen viel über vergangene Forschungsprojekte aus unserer Universitätszeit und über neue Forschungsprojekte gesprochen, die wir nun als Verein fortsetzen bzw. neu beginnen. Zusätzlich zu den noch fortlaufenden Allicin-Projekten sprachen wir z.B. über aktuelle Projekte zu Verwertungsmöglichkeiten von bislang noch ungenutzten biologischen Abfällen aus der Landwirtschaft, die Entwicklung neuer Düngerformulierungen, oder über die Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten mit Hilfe von Naturstoffen. (die in diesem Artikel adressiert sind).

Frau Thönnissen hat darauf hingewiesen, dass es bei unseren Forschungsprojekten mögliche Anknüpfungspunkte zum Strukturwandelprogramm des Rheinischen Reviers und zur damit eng verbundenen Bioökonomie geben könnte (www.rheinisches-revier.de). Durch dieses Programm werden kurz gesagt Innovationen und neue Wertschöpfungen gefördert, um eine nachhaltige und klimafreundliche Wirtschaft im Rahmen des Strukturwandels rund um den Braunkohleausstieg im rheinischen Revier zu ermöglichen. Grundlage sind hierbei das „Kohleausstiegsgesetz“ aus dem August 2020 sowie das „Strukturstärkungsgesetz Kohleregion“, welches zum selben Zeitpunkt verabschiedet wurde.

Das Treffen mit Frau Thönnissen und ihre Anregungen nahmen wir direkt zum Anlass, um wenig später an der Auftaktveranstaltung ZukunftBio.NRW (https://www.zukunftbio.nrw/) in Düsseldorf teilzunehmen, bei der die Rahmenbedingungen des Wirtschafts- und Strukturprogramms vorgestellt wurden.

Jan Borlinghaus, 13.07.2022

Dr. Martin Gruhlke, Vorsitzender von GENAWIF e.V., nahm am 3. Food Bioactives and Health Kongress in Parma, Italien teil. Dort präsentierte er die Arbeiten zur Thioallylierung von Proteinen durch Allicin aus Knoblauch. Thioallylierung ist eine Veränderung von bestimmten Aminosäureresten in Proteinen, durch die die Funktion von Proteinen beeinflusst wird. Bioaktive Verbindungen in Nahrungsmitteln sind ein spannendes Thema, das für GENAWIF e.V. viele Anknüpfungspunkte bietet, um die Wirkweise von Natur- und Wirkstoffen besser zu verstehen und neue Anwendungsoptionen zu evaluieren.