Screening und Identifizierung allelopathischer Substanzen aus Nährlösungen der Cyanobakterie Nodularia spumigena

Diplomarbeit von Bettina Scholz

Einleitung:

Von Cyanobakterien ist aus pharmakologischen Studien bekannt, dass sie Sekundärmetabolite mit algizider, fungizider sowie antibakterieller Wirkung bilden können. Mittlerweile sind über 330 Sekundärmetabolite aus unterschiedlichen Taxa isoliert worden, allerdings nur wenige mit bekannter ökologischer Funktion. Am Beispiel des gut untersuchten cyano-bakteriellen Toxins Microcystin aus Microcystis aeruginosa ist erkennbar, dass pharma-kologische Fragestellungen oft bevorzugt betrachtet werden. So ist der Mechanismus der Toxinwirkung auf höhere, warmblütige Vertebraten bis auf Zellebene aufgeklärt. Dagegen ist der ökologische Nutzen der Microcystine für die Cyanobakterien bis jetzt unbekannt.

Evolutionsbiologisch lässt sich die Toxizität gegen höhere Vertebraten nicht mit einem adaptiven Wert der Toxinbildung für M. aeruginosa erklären. Ein möglicher Grund für die bisherige Vernachlässigung ökologischer Untersuchungen ist, dass die zu untersuchenden Substanzen in der Regel nur in sehr geringen Mengen vorkommen. Dies stellt experimentell hohe Anforderungen an die Nachweisanalytik und gleichzeitig bedarf es einer hohen Biomasse des produzierenden Cyanobakteriums bei der gezielten Untersuchung der bioaktiven Komponente. Die meist komplexen Interaktionen im Freiland erschweren gleichzeitig die exakte Zuordnung der produktiven Spezies zu der detektierten biogenen Substanz.

Wertvolle Hinweise auf einen möglichen ökologischen Nutzen der Cyanobakterienmetabolite für ihre Produzenten ergaben sich aus der Untersuchung benthischer Cyanobakterien in photoautotrophen Biofilmen. Neben der Konkurrenz um abiotische Faktoren, wie z.B. Licht, spielt der Schutz vor Herbivorie eine wichtige Rolle. Für beides stellen biochemische Interaktionen eine geeignete Strategie für Cyanobakterien dar, um ihre Kon-kurrenzstärke zu erhöhen. Hierbei ermöglicht es der enge Kontakt zwischen benthischen Primärproduzenten wie Cyanobakterien und Algen in Biofilmen, dass biochemische Wechselwirkungen zwischen konkurrierenden Arten effizient sein können. Nach der Definition von MOLISCH (1937) werden solche Interaktionen als Allelopathie bezeichnet, eine biochemische Wechselwirkung sowohl intra- als auch inter-spezifischer Natur. Allelopathisch aktive Substanzen aus Cyanobakterien wirken bereits in geringen Konzentrationen gegen andere Cyanobakterienarten und Chlorophyceen, wobei das Angriffsziel häufig das Photosystem II ist.

Allelopathisch aktive Substanzen sind Sekundärmetabolite, die von den Zellen nicht für ihren Grundstoffwechsel benötigt werden. Daher wird vermutet, dass ihre Produktion durch Umwelt-faktoren gesteuert wird. Abiotische Faktoren wie Stresssituationen durch Nährstoffmangel oder Lichtlimitation können eine gesteigerte Produktion bewirken. Um die Auswirkungen von Nährstoffmangel zu untersuchen, wurden in Laborexperimenten vor allem die Makronährstoffe Phosphor und Stickstoff limitiert. Während Phosphatmangel in vielen Fällen zu einer gesteigerten Produktion an Sekundärmetaboliten in Cyanobakterien und Dinoflagellaten führte, variierten die Auswirkungen von Stickstoffmangel.

Mikroalgen und Cyanobakterien sind offensichtlich in der Lage, unterschiedliche Metaboliten in ihr Kulturmedium abzugeben. So konnten bereits biogene Amine, Aminosäuren, Exopolysaccharide und cytotoxische sowie algizide Verbindungen in den Nährlösungen isoliert werden. Dennoch ist bisher nur wenig über solche extrazellulären Metaboliten in den Kulturüberständen bekannt.

Bei der Untersuchung des Nährlösungsfiltrats einiger Cyanobakterienspezies hinsichtlich ihrer wachstumshemmenden Wirkung gegenüber anderen in einer Planktonpopulation vorkommenden Mikroalgen erwies sich Nodularia spumigena als effektiver Produzent allolopathisch wirkender Verbindungen. Die detektierbare Aktivität dieser Substanzen war hierbei auf die exponentielle Wachstumsphase beschränkt. Eine maximale Konzentration des Hepatotoxins Nodularin konnte allerdings erst in der stationären Phase der Kultur beobachtet werden. Diese Beobachtung lässt die Schlussfolgerung zu, dass eventuell auch andere Verbindungen mit allelopathischem Effekt als das Toxin Nodularin von dieser Spezies synthetisiert werden könnten.

Gang der Untersuchung:

Auf dieser Vermutung basierend sollten nun im Rahmen dieser Diplomarbeit Verbindungen, die durch ein chemisches Vorscreening, nachgewiesen werden konnten, aus den Nährlösungen von Nodularia spumigena extrahiert, die biologische Wirksamkeit getestet und - wenn möglich - die Strukturen dieser biogenen Substanzen aufgeklärt werden.

Einen einleitenden Überblick in die Vielfalt bisher detektierter und isolierter extra-zellulärer Verbindungen aus Cyanobakterien und speziell aus Kulturen von Nodularia spumigena soll in dem folgenden Kapitel vermittelt werden.

Zuvor soll in einem Exkurs in die Morphologie und Systematik der im Mittelpunkt dieser Untersuchung stehende Organismus vorgestellt werden.

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