Wohin wird die Zukunft der Antibiotikaforschung und -entwicklung gehen? Sind Actinomyceten immer noch eine Fundgrube für das Antibiotika-Screening?

Antibiotika wurden zunächst als antimikrobielle Mittel bezeichnet und können eine Vielzahl von Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze, Rickettsien, Spirochäten, Mykoplasmen und Chlamydien hemmen oder abtöten. Zu den Funktionen von Antibiotika zählen heutzutage das Abtöten (bzw. Hemmen) von Bakterien und die Bekämpfung von Tumoren, aber auch die Beseitigung von Entzündungen, die Linderung von Schmerzen und die Hemmung der Enzymaktivität. Seit 1943 das erste klinische Antibiotikum (Penicillin) in die Praxis umgesetzt wurde, wurden Tausende von Antibiotika entdeckt, und noch immer sind Hunderte von Antibiotika im klinischen Einsatz, die zusammen unzählige Leben gerettet haben.

Die Quellen für Antibiotika sind sehr vielfältig. Mikroorganismen sowie höhere Tiere und Pflanzen produzieren im Laufe ihrer Lebensprozesse sekundäre Stoffwechselprodukte, von denen viele das Wachstum und die Vermehrung anderer Zellen beeinträchtigen können. Als der bekannte Mikroorganismentyp, der die meisten Antibiotika produziert, haben Actinomyceten bei Forschern große Aufmerksamkeit und Anerkennung gefunden. Sie sollten wissen, dass mehr als zwei Drittel der Antibiotika, die derzeit in Klinik, Landwirtschaft und Tierhaltung eingesetzt werden, von ihnen hergestellt werden. Es gibt sogar Wissenschaftler, die den Nobelpreis für die Entdeckung und Synthese von Streptomycin aus Actinomyceten erhielten, das zur Behandlung von Tuberkulose eingesetzt werden kann (der amerikanische Wissenschaftler Waksman im Jahr 1952). Man kann sagen, dass er von den Aktinomyceten wirklich profitiert hat.

Der Boden gilt seit jeher als Basislager der Mikroorganismen und als idealer Ort für die Prüfung natürlicher Antibiotika. Während des Zweiten Weltkriegs beauftragte der australische Wissenschaftler Walter Florey alliierte Piloten gezielt damit, bei ihren Einsätzen Erde aus dem Ausland zu sammeln. Infolgedessen isolierte er aus den von den Piloten mitgebrachten Bodenproben einen ertragreichen Penicillinstamm, was dessen Industrialisierungsprozess erheblich förderte.

Bisher wurden Zehntausende aktiver Naturstoffe aus terrestrischen Mikroorganismen (davon stammen etwa 40 % aus Actinomyceten) identifiziert. Daher ist das Screening von Antibiotika aus den Metaboliten von Actinomyceten im Boden seit jeher eine Tradition und bevorzugte Methode wissenschaftlicher Forscher.

Mit der Entstehung und der rasanten Entwicklung der Genomsequenzierungstechnologie hat die Identifizierung antimikrobieller Zielmoleküle zunehmend an Bedeutung gewonnen und ist zu einer beherrschenden Stellung geworden, die viele Länder zu erobern versuchen. Daher ist damit zu rechnen, dass die Häufigkeit der Entdeckung neuer Antibiotika zunehmen wird und viele kommerzielle Unternehmen massiv in entsprechende Forschung und Entwicklung investiert haben. Im Laufe der Zeit erwies sich das Hochdurchsatz-Sequenzierungsscreening jedoch nicht als Allheilmittel für die Entdeckung neuer Antibiotika, und die Forscher waren gezwungen, zum alten Weg des natürlichen Actinomyceten-Screenings und der Mutagenese-Züchtung zurückzukehren.

Derzeit ist die Situation in der Antibiotikaforschung und -entwicklung nicht optimistisch. Einerseits verlangsamt sich die Entdeckungsrate neuer Arten (schließlich werden terrestrische mikrobielle Ressourcen schon seit einiger Zeit erschlossen) und das Input-Output-Verhältnis sinkt. In den letzten Jahren konnten über 90 % der gescreenten Wirkstoffe als untersucht und identifiziert nachgewiesen werden. Andererseits wird das Problem der Arzneimittelresistenz immer deutlicher, da die Anpassungsfähigkeit (oder Toleranz) pathogener Mikroorganismen weiter zunimmt.

Vor diesem Hintergrund zerbrachen sich Forscher und Entwickler den Kopf und es entstanden verschiedene Strategien. Unter diesen ist die Erweiterung des Screening-Bereichs am kosteneffektivsten. Am Beispiel der Actinomyceten weiteten die Forscher ihren Untersuchungsbereich auf verschiedene extreme Umgebungen wie Wüsten, Ozeane und salzhaltige Alkaligebiete aus und erzielten gute Ergebnisse. Im Jahr 2012 führten Dong Yanping und andere von der School of Life Sciences and Technology der China Pharmaceutical University eine mikrobielle Isolierung an 17 Bodenproben aus den südlichen Ausläufern der Taklamakan-Wüste durch und erhielten 368 Stämme von Actinomyceten. Unter ihnen waren Streptomyces und Nocardia die dominierenden Gattungen, und es gab 62 Actinomyceten mit antibakterieller Wirkung.

Als anerkannte Schatzkammer trägt der Ozean viele Träume der Menschen in sich und übernimmt auch viele Aufgaben. Heutzutage werden bei der Arzneimittelprüfung immer mehr Arbeiten im Meer durchgeführt und die Gewinnung von Ressourcen aus dem Meer ist zur Normalität geworden. Die Meeresumwelt ist durch geringen Nährstoffgehalt, niedrige Temperaturen, hohen Druck und hohen Salzgehalt gekennzeichnet. Die in dieser besonderen Umgebung lebenden Mikroorganismen verfügen über Stoffwechselwege, die sich völlig von denen terrestrischer Mikroorganismen unterscheiden, und auch ihre Produkte sind reichhaltig und vielfältig.

Im Jahr 1991 haben Fenical et al. isolierte und erhielt die weltweit ersten Actinomyceten, die zum Wachsen Salz benötigen, und ordnete sie der Gattung Salinispora zu. Als Isolationsmatrix diente Meeresschlamm. Im Laufe der Forschung stellte man fest, dass diese Gattung der Actinomyceten über eine spezifische biologische Aktivität verfügt und eine Reihe von Verbindungen mit neuartigen Strukturen und Anti-Krebs-Wirkung synthetisieren kann. Bis heute wurden mehrere tausend Stämme von Actinomyceten dieser Gattung isoliert, zu den häufigsten Arten zählen Salinispora tropica, S. arenicola und S. pacifica.

Die Hoffnung der Menschen bei der Suche nach neuen Antibiotika liegt in verschiedenen komplexen und extremen Umgebungen. Marine Mikroorganismen werden terrestrische Mikroorganismen als Hauptquelle für neue bioaktive Substanzen und Antibiotika ersetzen, und die Actinomyceten sind ihrer Verantwortung nie enthoben worden. Dies war in der Vergangenheit so, ist heute so und wird auch in Zukunft so bleiben.