Guanidin ist eine chemische Verbindung, die zur Gruppe der organischen Basen gehört. In der wissenschaftlichen Forschung wurde Guanidin bisher hauptsächlich als toxisches Reagenz eingesetzt, um die Strukturen von Proteinen und Nukleinsäuren zu zerlegen. Eine aktuelle Studie, die in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht wurde, zeigt jedoch, dass diese Substanz eine bedeutende Rolle als Stickstoffquelle für Cyanobakterien spielt, die für die globalen Stoffkreisläufe von entscheidender Bedeutung sind. Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) haben gemeinsam mit Partnerinstitutionen herausgefunden, dass Cyanobakterien Guanidin aktiv aufnehmen, abbauen und sogar als alleinige Stickstoffquelle verwenden können.
Cyanobakterien sind essenzielle Akteure im globalen Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf. Ihre Fähigkeit, Photosynthese zu betreiben, ermöglicht es ihnen, Licht in chemische Energie umzuwandeln und somit zur Produktion von Chemikalien und Kraftstoffen in einer CO2-neutralen Biotechnologie beizutragen. Diese Organismen könnten daher in der Zukunft als grüne Zellfabriken fungieren und eine Schlüsselrolle in der nachhaltigen Bioökonomie spielen. Trotz der wachsenden Bedeutung von Cyanobakterien ist jedoch noch wenig darüber bekannt, wie sie auf Umweltveränderungen reagieren und wie ihre Stoffwechselprozesse reguliert werden.
Die vorliegende Forschung des UFZ, in Zusammenarbeit mit der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, beleuchtet die Mechanismen, die hinter der Nutzung von Guanidin durch Cyanobakterien stehen. Die Studie stellt fest, dass Guanidin in den Zellen dieser Mikroben durch ein spezifisches Enzym, die Guanidin-Hydrolase, in Ammonium und Harnstoff zerlegt wird. Diese Produkte fließen dann in die Stoffwechselprozesse der Cyanobakterien ein. Eine neu entdeckte ABC-Transportersystem ermöglicht es den Cyanobakterien, Guanidin mit hoher Affinität aufzunehmen, selbst bei sehr niedrigen Konzentrationen in ihrer Umgebung.
Zusätzlich verfügt die Zelle über ein Efflux-System, das überschüssiges Guanidin wieder aus der Zelle transportiert, um toxische Effekte zu vermeiden. Die Ergebnisse der Studie legen nahe, dass Guanidin in natürlichen Lebensräumen tatsächlich verfügbar sein könnte und dass die Fähigkeit von Cyanobakterien, diese Substanz zu nutzen, einen evolutionären Vorteil bietet.
Laut PD Dr. Stephan Klähn, einem Molekular- und Mikrobiologen am UFZ und Koordinator der Studie, belegt die Forschung, dass Guanidin ein wesentlicher Bestandteil des Stickstoffmetabolismus in Cyanobakterien ist und somit auch in die globalen Stoffkreisläufe der Natur integriert ist. Um diese Erkenntnisse zu gewinnen, kombinierten die Wissenschaftler Genomanalysen mit Methoden der molekularen Mikrobiologie, biochemischen Bindungsstudien und simulationsgestützten Prozessanalysen. Ein weiterer Aspekt der Studie befasst sich mit der Regulierung des Guanidin-Stoffwechsels in den Cyanobakterien. Hierbei spielt ein RNA-Schalter, bekannt als Riboswitch, eine zentrale Rolle, da er direkt auf die Bindung von Guanidin reagiert.
Die Forschungsergebnisse eröffnen neue Perspektiven für die Biotechnologie: Der Riboswitch könnte als präzises Schaltelement dienen, um die Genaktivitäten in Cyanobakterien durch die gezielte Zugabe von Guanidin zu steuern. Dieses molekulare Werkzeug könnte sich als äußerst nützlich erweisen, um biotechnologische Produktionsprozesse kostengünstig zu regulieren und für verschiedene Anwendungen in der synthetischen Biologie zu nutzen.
Insgesamt zeigt die Studie, dass Guanidin nicht nur als toxische Substanz betrachtet werden sollte, sondern auch als wertvolle Ressource für Cyanobakterien, die in der Lage sind, diese Verbindung effizient zu nutzen. Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, das Verständnis der biologischen Rolle von Guanidin zu erweitern und könnten zukünftige Entwicklungen in der nachhaltigen Biotechnologie maßgeblich beeinflussen.
