Der Meeresboden ist voller Geheimnisse, aber Wissenschaftler haben kürzlich eines seiner bestgehüteten Geheimnisse gelüftet. Seit 25 Jahren suchen Medikamentenjäger nach der Quelle einer natürlichen Chemikalie, die sich in ersten Studien als vielversprechend für die Behandlung von Krebs erwiesen hatte. Jetzt berichten Forscher der University of Utah Health, dass leicht zu findende Weichkorallen den schwer zugänglichen Stoff herstellen.
Die Identifizierung der Quelle ermöglichte es den Forschern, einen Schritt weiter zu gehen und den DNA-Code des Tieres für die Synthese der Chemikalie zu finden. Indem sie diesen Anweisungen folgten, konnten sie die ersten Schritte unternehmen, um die Chemikalie der Weichkoralle im Labor nachzubauen.
„Dies ist das erste Mal, dass wir in der Lage waren, dies mit einem Medikamentenvorläufer auf der Erde zu tun“, sagt Dr. Eric Schmidt, Professor für medizinische Chemie an der U of U Health. Er leitete die Studie zusammen mit Dr. Paul Scesa, Postdoktorand und Erstautor, und Dr. Zhenjian Lin, Assistenzprofessor für Forschung.
Der Fortschritt eröffnet die Möglichkeit, die Verbindung in den für strenge Tests erforderlichen großen Mengen herzustellen, und könnte eines Tages zu einem neuen Mittel zur Krebsbekämpfung führen.
Eine zweite Forschungsgruppe unter der Leitung von Bradley Moore, Ph.D., von der Scripps Institution of Oceanography an der University of California San Diego hat unabhängig davon gezeigt, dass Korallen ähnliche Moleküle herstellen. Beide Studien werden in der Ausgabe vom 23. Mai in Nature Chemical Biology veröffentlicht.
Eine Welt voller Möglichkeiten
Weichkorallen verfügen über Tausende von arzneimittelähnlichen Verbindungen, die als entzündungshemmende Mittel, Antibiotika und vieles mehr wirken könnten. Ein großes Hindernis bei der Entwicklung von Arzneimitteln für den klinischen Einsatz war jedoch, genügend dieser Verbindungen zu erhalten. Schmidt sagt, dass diese anderen Verbindungen mit diesem neuen Ansatz nun ebenfalls zugänglich sein sollten.
Korallen sind nicht die einzigen Tiere, die potenzielle Therapeutika beherbergen. In der Natur wimmelt es nur so von Schlangen, Spinnen und anderen Tieren, von denen bekannt ist, dass sie Chemikalien mit heilenden Eigenschaften in sich tragen. Die Verbindungen aus Weichkorallen bieten jedoch deutliche Vorteile für die Arzneimittelentwicklung, sagt Schmidt.
Im Gegensatz zu giftigen Chemikalien, die der Beute injiziert werden, verwenden Korallen ihre Chemikalien, um Raubtiere abzuwehren, die versuchen, sie zu fressen. Da sie zum Fressen gemacht sind, sind die Chemikalien der Weichkorallen leicht verdaulich. Ebenso sollten Medikamente, die aus diesen Verbindungen gewonnen werden, als Pillen mit einem Glas Wasser eingenommen werden können, anstatt durch Injektionen oder andere invasivere Mittel eingenommen zu werden. „Diese Verbindungen sind schwieriger zu finden, aber sie lassen sich im Labor leichter herstellen und können leichter als Medizin eingenommen werden“, sagt Schmidt.
Diese Möglichkeiten waren jahrzehntelang unerreichbar gewesen. Um an diesen Punkt zu gelangen, brauchte man das richtige Know-how und ein wenig Glück.
Auf der Suche nach der Quelle
Scesa fand die lange gesuchte Verbindung in einer weit verbreiteten Weichkorallenart, die vor der Küste Floridas lebt – nur eine Meile von der Wohnung seines Bruders entfernt. In den 1990er Jahren berichteten Meereswissenschaftler, dass eine seltene Koralle in der Nähe von Australien eine Chemikalie, Eleutherobin, mit krebshemmenden Eigenschaften enthält. Die Chemikalie stört das Zytoskelett, ein wichtiges Gerüst in den Zellen, und Weichkorallen nutzen sie zur Verteidigung gegen Fressfeinde. Laborstudien zeigten jedoch, dass die Verbindung auch das Wachstum von Krebszellen stark hemmt.
In den folgenden Jahrzehnten suchten die Wissenschaftler, konnten aber den sagenumwobenen „heiligen Gral“ nicht in den Mengen finden, die für die Entwicklung von Arzneimitteln benötigt wurden, und konnten das Problem nicht lösen, ohne zu verstehen, wie die Chemikalie hergestellt wurde. Das Dogma besagte, dass die Chemikalie, ähnlich wie bei anderen Arten von Meereslebewesen, von symbiotischen Organismen synthetisiert wird, die im Inneren der Tiere leben.
„Das machte keinen Sinn“, sagt Scesa. „Wir wussten, dass Korallen Eleutherobin herstellen müssen.“ Er und Schmidt kamen zu dem Schluss, dass einige Weichkorallenarten keine symbiotischen Organismen haben und ihre Körper dennoch dieselbe Klasse von Chemikalien enthalten.
Die Lösung des Rätsels schien eine Aufgabe für Scesa zu sein. Als Junge, der in Florida aufwuchs, war der Ozean sein Spielplatz, und er verbrachte unzählige Stunden mit der Erforschung seiner Tiefen und seiner Tierwelt. Während seines Studiums entwickelte er eine Vorliebe für organische Chemie und kombinierte diese beiden Interessen, um die chemische Vielfalt der Meere besser zu verstehen.
Später trat er in das Labor des Naturstoffforschers Schmidt ein, um die Quelle des Medikaments Blei aufzuspüren. Scesa vermutete, dass ihm vertraute Korallenarten die Antwort geben könnten, und brachte kleine lebende Proben von Florida nach Utah – und die eigentliche Jagd begann.
Die Entschlüsselung des Rezepts
Der nächste Schritt bestand darin, herauszufinden, ob der genetische Code der Koralle Anweisungen für die Herstellung des Wirkstoffs enthielt. Dank der Fortschritte in der DNA-Technologie war es in jüngster Zeit möglich, den genetischen Code einer beliebigen Art schnell zu entschlüsseln. Die Schwierigkeit bestand darin, dass die Wissenschaftler nicht wussten, wie die Anweisungen für die Herstellung der Chemikalie aussehen sollten.
Sie gingen das Problem an, indem sie Bereiche der Korallen-DNA fanden, die den genetischen Anweisungen für ähnliche Arten von Verbindungen aus anderen Arten ähnelten. Nachdem sie im Labor gezüchtete Bakterien so programmiert hatten, dass sie den für die Weichkoralle spezifischen Korallen-DNA-Anweisungen folgten, waren die Mikroorganismen in der Lage, die ersten Schritte zur Herstellung des potenziellen Krebstherapeutikums zu replizieren.
Damit war bewiesen, dass Weichkorallen die Quelle von Eleutherobin sind. Es zeigte auch, dass es möglich sein sollte, die Verbindung im Labor herzustellen. Ihre Arbeit konzentriert sich nun darauf, die fehlenden Schritte der Rezeptur des Wirkstoffs zu vervollständigen und den besten Weg zur Herstellung großer Mengen des potenziellen Medikaments zu finden.