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Bakterientoxine

CyanobakterielleToxine

Cyanobakterien und ihre Habitate

Cyanophyceen (Cyanophyceae; Cyanobakterien) gehören zu den ältesten Lebewesen auf unserer Erde (ca. 2.5 Milliarden Jahre alt), die entscheidend dazu beigetragen haben, dass eine Sauerstoff-haltige Biosphäre entstanden ist. Sie stellen einen wesentlichen Anteil des ozeanischen Phytoplanktons und sind somit für die Aufnahme des atmosphärischen CO2 von großer Bedeutung. Bislang sind mehr als 2.000 verschiedene Arten in ca. 150 Genera bekannt (siehe die mikroskopischen Aufnahmen auf der Cyanosite in der dort aufgeführten Gallerie).

Sie vermehren sich ausschließlich vegetativ und kommen ubiquitär vor. Aquatische Spezies leben sowohl unter extremen Bedingungen, wie z.B. bestimmte thermophile Arten in heißen Quellen, wie Thermosynechococcus elongatus (optimale Wachstumstemperaturen: 45-70 °C), im Meereswasser in Tiefen unterhalb von 150 m (z.B. Prochlorococcus marinus), im Brackwasser (Salzgehalt des Wassers ⋜ 1 %) als auch in unseren heimischen Seen (Süßwasser, Salzgehalt ⋜ 0,1 %, z.B. Microcystis aeruginosa oder Anabaena spp). Andere bevölkern den Boden oder haften an Felsen. Fossile Formen sind die so genannten Stromatolithen im Westen Australiens, welche cyanobakterielle Kalkablagerungen sind. Cyanobakterien sind mobil, indem sie auf festen Oberfächen gleiten. Sie besitzen jedoch keine Geißeln. Einige filamentöse Formen, wie Anabaena oder Nostoc, bilden Heterocysten aus. Diese Spezies sind in der Lage N2 zu fixieren.

Sowohl im Salz- als auch im Süßwasser können sich Cyanobakterien vor allem in den Sommermonaten bedingt durch exogene Faktoren, wie Phosphat- und/oder Nitrat-Einleitung aus Abwässern aus privaten Haushalten, Industrie und Landwirtschaft, stark vermehren. Unter diesen Bedingungen kann es in eutrophen, Sauerstoff-armen Seen zu einer Wasserblüte durch übermäßige Vermehrung von Cyanobakterien, wie Anabaena oder Oscillatoria rubescens ("Burgunderblutalge"), kommen (s. unten Abb. 1). Die blau-grüne oder rote Farbe ist durch hohe Konzentrationen der akzessorischen photosynthetischen Pigment-Proteinkomplexe Allophycocyanin, Phycocyanin oder Phycoerythrin zu erklären, welche zu den Phycobiliproteinen gehören. Viele dieser Cyanobakterien-Stämme können aus Kultursammlungen bezogen werden, wie z.B. aus der Pasteur-Kultursammlung PCC (Pasteur Culture Collection of Cyanobacteria) in Paris. Zieht man sie im Labor in Photobioreaktoren an, so wachsen einige von ihnen auch mixotroph, d.h. in Gegenwart von Glucose als Kohlenstoff-Quelle.

Abb.1
Beginnende Algenblüte am Ufer eines stehenden Gewässers

Sekundärmetabolite: bioaktive Peptide und Toxine

Cyanobakterien bilden eine große Anzahl von Sekundärmetaboliten, die verschiedene bioaktive Eigenschaften aufweisen. Hierzu gehören Antibiotika und Peptide mit antiproliferierenden, d.h. Zellwachstum-hemmenden Eigenschaften. Diese sind möglicherweise von therapeutischem und pharmakologischem Interesse. Deshalb werden große Forschungsanstrengungen unternommen, um deren Biosynthesewege zu entschlüsseln und die daran beteiligten Enzyme strukturell und funktionell zu charakterisieren. Nach den neuesten Erkenntnissen sind die beteiligten Peptid-Synthetasen und Polyketid-Synthetasen modular aufgebaut. Dieses Aufbauprinzip bietet die Möglichkeit, durch Eingriff auf genetischer Ebene mit Hilfe molekularbiologischer Techniken, wie der gerichteten Mutagenese, die Enzymstrukturen so zu verändern, dass neue Produkte für die medizinische Anwendung entstehen. Die Biosynthese der genannten Sekundärmetabolite erfolgt non-ribosomal. Eine weitere Gruppe von Sekundärmetaboliten, die von ca. 0,5-1 % der Cyanobakterien-Arten gebildet werden, hat für Säugerzellen toxische Eigenschaften. Hierzu gehören allgemein Cytotoxine, unter diesen Tumorpromotoren, Hepatotoxine, Dermatotoxine und Neurotoxine. Diese werden aus aufgebrochenen und absterbenden cyanobakteriellen Zellen freigesetzt. Die Menge an produzierten Toxinen wird in der Natur als auch im Labor durch die Wachtumsbedingungen beeinflusst. Zellanzuchtsparameter, wie Temperatur und Lichtintensität, spielen eine wichtige Rolle. Über die Nahrungskette (z.B. Cyanobakterien → Muschel/Krebs/Fisch → Tier/Mensch) können die Toxine zunächst akkumulieren und schließlich in den tierischen/menschlichen Körper gelangen. Da viele dieser Substanzen auch durch die Aufbereitung der Nahrung (z.B. durch Kochen) nicht zerstört werden, können sie im Wirtsorganismus ihre Wirkung entfalten. Es ist kürzlich gelungen ein analytisches Verfahren zu entwickeln, welches ermöglicht, in situ derartige Metabolite mittels MALDI-TOF-Massenspektrometrie (Matrix-assisted-laser-desorption-deionization mass spectrometry) aufzuspüren (siehe in der Literaturliste: Erhard et al.; Fastner et al.). Andere Nachweis-Methoden sind Chromatographie in Kombination mit Massenspektrometrie (LC-MS) und Enzyme linked immunosorbent assays (ELISA).

In der folgenden Tabelle werden einige Spezies mit den von ihnen produzierten Toxinen, ihren Wirkungsorten/Wirkungsmechanismen und, sofern bestimmt, den zumeist in Tierexperimenten ermittelten Wirkungsdosen zusammengefasst. Die Toxine haben die unterschiedlichsten chemischen Strukturen. Sie gehören u.a. zu den cyclischen Peptiden, Lipopolysacchariden (LPS) oder den Alkaloiden (vide infra). Sie sind im wässrigen Millieu, selbst unter extremen pH-Werten, außerordentlich stabil.

Tab.1
Verschiedene cyanobakterielle Toxine und ihre Wirkungsweisen
OrganismenToxinWirkungsweise / WirkungsortDosis
Anabaena, Anabaenopsis, Planktothrix, Nostoc, Hapalosiphon, Microcystis, Oscillatoria u.a. MicrocystinHepatotoxin / Inhibitor von Protein-(Ser/Thr)-Phosphatasen Typ 1 und Typ 2ALD50: 20-800 µg/kg; i.p., Maus (die Werte fallen je nach Subtypus unterschiedlich aus, toxischste Variante ist bislang Microcystin LR)
Nodularia NodularinHepatotoxin / Inhibitor von Protein-(Ser/Thr)-Phosphatasen Typ 1 und Typ 2ALD50: 20-250 µg/kg; i.p., Maus
Umezakia, Cylindrospermopsis, Aphanizomenon CylindrospermopsinHepatotoxin / Proteinbiosynthese-InhibitorLD50: 200 µg/kg; i.p., Maus (5-6 Tage); 2,1 mg/kg bei 24 Stunden
Anabaena, Planktothrix, Phormidium AnatoxinNeurotoxin / Agonist für den nicotinischen Acetylcholin-RezeptorLD50: 8-20 µg/kg; i.p., Maus
Anabaena, Phormidium, Planktothrix SaxitoxinNeurotoxin / selektiver Na+-KanalblockerLeber/LD50: 200 µg/kg; i.p., Maus
Lyngbya majuscula Lyngbyatoxin-aDermatotoxin / Haut und Gastro-Intestinal-Trakt, Tumor-Promotorunbekannt
Schizothrix, Planktothrix, Lyngbya u.a. AplysiatoxineDermatotoxin / Hautentzündungen; Tumorpromotorunbekannt
Pseudomonas aeruginosa Lipopolysaccharid (LPS)-EndotoxineDermatotoxin / Atemwegserkrankungen und Allergien möglichLD50: 45 bis > 500 mg/kg; i.p., Maus; stark verminderte Toxizität gegenüber den LPS aus Enterobacteriaceae
Abb.2
Microcystin XY

Von Microcystin XY wurden bisher ca. 70 verschiedene Subtypen identifiziert; in der Variante Mycrocystin LR entspricht die Aminosäure 1 L-Arg und die Aminosäure 2 L-Leu.

Abb.3
Nodularin
Abb.4
Cylindrospermopsin

Die Hepta- und Pentapeptide Microcystin-XY und Nodularin enthalten die nicht-proteinogene β-Aminosäure Adda (3-Amino-9-methoxy-10-phenyl-2,6,8-trimethyldeca-4,6-diensäure), die die Toxizität dieser Verbindungen ausmacht. Ferner sind Dehydroalanin und drei Aminosäuren in der D-Konfiguration enthalten (siehe Literaturliste Martin et al.). Cylindrospermopsin gehört zu den (tricyclischen) Guanidin-Derivaten, die Keto-Enol-Tautomerie zeigen.

Abb.5
(1R)-(+)-Anatoxin A
Abb.6
Saxitoxin (R = H; Neosaxitoxin: R = OH)

Anatoxin A von Anabaena sp. ist ein hochgiftiges, neurotoxisches Pseudoalkaloid. Die Saxitoxine sind eine Gruppe von Perhydropurin-Derivaten. Die Substituenten an N1 (R) und C12 können variieren und bestimmen das Ausmaß der Toxizität mit.

Abb.7
Lyngbyatoxin A - ein Indol-Derivat, das zu den so genannten Majusculamiden gehört.
Abb.8
Aplysiatoxin (R = Br; Debromoaplysiatoxin: R = H) - ein Polyketid mit Bislacton-Struktur
Abb.9
Ein Lipopolysaccharid

Das hier gezeigte Beispiel eines Lipopolysaccharids (LPS) enthält Fettsäurereste vom Typ C14:0 (Myristinsäure) bzw. β-Hydroxy-myristinsäure und Ethanolamin als Kopfgruppe.

Hinweis
Siehe zur Genomdatenbank von Cyanobakterien unter Cyanobase, zu aktuellen Forschungsarbeiten an Cyanobakterien, einer Bildsammlung verschiedener Spezies unter Cyanosite sowie zu Toxin-bildenden Cyanobakterien unter Cyanotox. PEPCY ist ein europäisches Projekt, an dem Arbeitsgruppen aus acht Ländern beteiligt sind, das sich mit toxischen und bioaktiven cyanobakteriellen Peptiden beschäftigt. Zu den Zielen des EU-Projektes gehören u.a. Untersuchungen zur Regulation der Cyanotoxin-Bildung, die Entwicklung qualitativer und quantitativer Nachweisverfahren für die Toxine bis hin zu Riskoabschätzungen und -analysen.

Literatur

Börner, T. (2001): Die Toxine der Cyanobakterien: Neue bioaktive Verbindungen. In: Biol. in unserer Zeit. 31 , 108-115
Börner, T.; Dittmann, E. (2005): Molecular Biology of cyanobacterial toxins. genetic basis of microcystin production. In: Harmful Cyanobacteria. Aquatic Ecology Series, Vol.3. J. Huisman H.C Matthijs P. P. Visser (Hrsg.). Springer , 25-40
Briand, J.; Jacquet, S.; Bernard, C.; Humbert, J. (2003): Health hazards for teresterial vertebrates from the toxic cyanobacteria in surface water ecosystems . In: Vet. Res.. 34 , 361-377
Carmichael, W. W. (1992): Cyanobacterial secondary metabolites - the cyanotoxins . In: J. Appl. Bacteriol. . 72 , 445-459
Erhard, M.; von Döhren, H.; Jungblut, P. (1997): Rapid typing and elucidation of new secondary metabolites of intact cyanobacteria using MALDI-TOF mass spectrometry. In: Nature Biotechnol.. 15 , 906-909
Fastner, J.; Erhard, M.; von Döhren, H. (2001): Determination of oligopeptide diversity within natural population of Microcystis spp. (cyanobacteria) by typing single colonies by matrix-assisted-laser desorption deionization time-off-flight mass spectrometry. In: Appl. and Environ. Microbiol. . 67 , 5069-5076
Martin, C.; Weckesser, J.; Ino, T.; Konig, W. A.; Skulberg, O. M. (1992): 7-Desmethyl-microcystin-RR, a hepatotoxin from a waterbloom of Microcystis aeruginosa. In: Z. Naturforsch. C . 47 , 335-340
Stewart, I.; Schluter, P. J.; Shaw, G. R. (2006): Cyanobacterial lipopolysaccharides and human health. In: Environmental health:A Global Access Science Source . 5 , 1-23

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