Der Bildung von Chitin auf der Spur

Der Molekularbiologe Prof. Dr. Hans Merzendorfer von der Uni Siegen hat zusammen mit einem internationalen Team an WissenschaftlerInnen neue Einblicke in den Prozess der Chitin-Bildung gewonnen. Die Erkenntnisse könnten zu einem besseren Schutz vor Krankheiten beitragen, die durch Insekten übertragen oder von Pilzen ausgelöst werden.

Chitin ist eines der am häufigsten vorkommenden Biopolymere in der Natur. Es findet sich unter anderem in Panzern von Insekten und in Zellwänden von Pilzen. Chitin ist ein nachwachsender Rohstoff mit besonderen Eigenschaften, die ihn unter anderem für medizinische Anwendungen interessant machen. WissenschaftlerInnen beschäftigen sich aus diesem Grund weltweit intensiv mit der Frage, wie Chitin entsteht und wie es für unterschiedliche Zwecke nutzbar gemacht werden kann. Einem internationalen Team von MolekularbiologInnen unter Mitwirkung des Siegener Biologie-Professors Dr. Hans Merzendorfer ist dabei jetzt ein Durchbruch in der Grundlagenforschung gelungen: Die WissenschaftlerInnen verwendeten eine Methode, die es erlaubt, dem Schlüsselenzym zur Herstellung von Chitin bei der Arbeit zuzusehen. Sie gewannen dadurch wichtige Einblicke in den Prozess der Chitin-Bildung. Ihre Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe des renommierten Wissenschaftsmagazins „Nature“ veröffentlicht.

„Ich freue mich sehr über diese Veröffentlichung, vor allem aber über die neuen Erkenntnisse unserer Forschung, die dazu beitragen könnten, Menschen in Zukunft besser vor bestimmten Krankheiten zu schützen“, sagt Prof. Merzendorfer. Die Rede ist von Erkrankungen wie Malaria oder Gelbfieber, die durch Mücken übertragen werden, aber auch von systemischen Pilzerkrankungen, die Organe des Menschen befallen und tödlich enden können. Die Tatsache, dass Insekten und Pilze gleichermaßen Chitin produzieren, könnte der entscheidende Hebel zur Bekämpfung solcher Krankheiten sein: Gelingt es, die Chitin-Bildung gezielt zu unterbinden, ließe sich die massive Verbreitung der gefährlichen Insekten und Pilze verhindern.

„Schon heute funktionieren einige Insektizide oder Fungizide darüber, dass sie die Chitin-Bildung hemmen. Dieser Ansatz lässt sich durch unsere Erkenntnisse zur Struktur und Arbeitsweise des Schlüsselenzyms ‚Chitinsynthase‘ allerdings deutlich verbessern: Je besser wir den Prozess der Chitin-Biosynthese durch dieses Enzym verstehen, desto gezielter können wir ihn lahmlegen, indem wir das Enzym in seiner Aktivität blockieren“, erklärt Prof. Merzendorfer. Er hofft, dass sich auf dieser Grundlage zukünftig neue und wirkungsvolle Medikamente gegen Pilzerkrankungen bei Menschen entwickeln lassen. „Da Menschen selbst kein Chitin produzieren, gehen wir davon aus, dass Medikamente, die auf eine Blockade der Chitin-Biosynthese abzielen, weniger Nebenwirkungen haben dürften“, erläutert der Molekularbiologe.

Im Rahmen ihrer Studien nahmen die WissenschaftlerInnen einen speziellen Soja-Fäulepilz im wahrsten Sinne des Wortes unter die Lupe. Mit einem hochauflösenden Elektronenmikroskop, das bei extremer Kälte arbeitet, gelang es ihnen die atomare Struktur der Chitinsynthase sichtbar zu machen – und das zu verschiedenen Zeitpunkten während des Chitin-Bildungsprozesses. Das Team betrachtete dazu zunächst hunderttausende Einzelpartikel mit unterschiedlichen Raumorientierungen. Anhand dieser Aufnahmen berechneten Bioinformatiker anschließend ein 3D-Modell des Enzyms mit atomarer Auflösung.

„Wir konnten auf diese Weise verschiedene Bereiche des Enzyms sichtbar machen – darunter das katalytische Zentrum, indem einzelne Zuckermoleküle zunächst zu einer Kette verknüpft werden. Außerdem war der Kanal erkennbar, durch den die wachsende Chitin-Kette über die Zellmembran nach außen transportiert wird. Und wir haben ein Schleusentor am Eingang des Kanals entdeckt, das zudem hilft, die Kette in den Kanal zu dirigieren“, sagt Merzendorfer. Eine weitere Erkenntnis: An der Bildung von Chitin sind immer zwei Moleküle des Schlüsselenzyms beteiligt. Diese sind eng miteinander verschränkt und produzieren parallel zwei Chitinketten, was die Bildung so genannter Chitinfibrillen – also Bündeln aus mehreren Chitinketten – erleichtern dürfte.

Im nächsten Schritt möchte das Team daran arbeiten, die gewonnen Erkenntnisse noch zu erweitern und herauszufinden, wie sie für die Herstellung von verbesserten Hemmstoffen der Chitinsynthase verwendet werden können. Solche Hemmstoffe könnten zukünftig neben der Medizin auch in der Landwirtschaft zu Einsatz kommen, um Nutzpflanzen vor Insekten- oder Pilzbefall zu schützen.

Die aktuelle Nature-Veröffentlichung zum Thema finden Sie hier

Kontakt:
Prof. Dr. Hans Merzendorfer
(Department Chemie-Biologie, Universität Siegen)
E-Mail: hans.merzendorfer@uni-siegen.de
Tel.: 0271-740 3917

3D-Strukturmodell des Schlüsselenzyms für die Chitin-Bildung. Das Enzym liegt als eng verschränkter Komplex aus zwei Molekülen vor, die jeweils eine kurze Chitinkette am Kanaleingang gebunden haben.