Wissenschaftler unter der Leitung von Professor Seoung Rak Lee von der Pusan National University haben eine systematische Übersicht über Naturstoffe veröffentlicht, die ungewöhnliche chemische Elemente enthalten. Die in der Fachzeitschrift „Natural Product Reports“ erschienene Metastudie analysiert wissenschaftliche Entdeckungen aus den Jahren 1944 bis 2025. Während die überwiegende Mehrheit organischer Stoffwechselprodukte von Mikroben, Pflanzen und Meeresorganismen aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff besteht, binden seltene Verbindungen Elemente wie Bor, Fluor, Arsen, Selen oder Jod. Diese atypischen Bausteine verleihen den Molekülen einzigartige biologische Eigenschaften und eine spezialisierte chemische Reaktivität.
- Eine Auswertung von Forschungsergebnissen aus über acht Jahrzehnten dokumentiert seltene Naturstoffe mit ungewöhnlichen Elementen.
- Elemente wie Fluor, Bor oder Arsen verleihen biologischen Molekülen besondere Stabilität und spezifische Wirkweisen.
- Die Mechanismen der natürlichen Synthese bieten Potenzial für umweltfreundlichere Verfahren in der chemischen Industrie.
Spezielle Atome erweitern das biologische Werkzeugset
Im Gegensatz zu den primären Baustoffen des Lebens nutzen manche Organismen hochspezialisierte biochemische Pfade, um schwer zugängliche Elemente in ihre Sekundärmetaboliten einzubauen. Sekundärstoffe sind organische Verbindungen, die Organismen nicht direkt für das grundlegende Wachstum benötigen, die ihnen aber Überlebensvorteile wie Abwehrkräfte oder zelluläre Signalgebung verschaffen. Borhaltige Naturstoffe wie Boromycin oder Tartrolone zeigen beispielsweise antibakterielle, antivirale und immunmodulierende Wirkungen. Fluorhaltige Naturstoffe wie Fluoracetat, 4-Fluor-L-Threonin oder Nucleocidin verdeutlichen wiederum, wie seltene Kohlenstoff-Fluor-Bindungen hochwirksame Toxine und Antimikrobiotika hervorbringen. Auch Arsen- und Selenverbindungen erfüllen in marinen Ökosystemen und Stoffwechselprozessen spezifische Aufgaben bei der Entgiftung sowie der Redox-Regulation.
Relevanz für die Pharmaforschung und grüne Chemie
Die Integration solch atypischer Atome verändert gezielt die chemischen Eigenschaften von Molekülen, indem sie etwa deren Fettlöslichkeit erhöht oder den Abbau im Organismus verlangsamt.
In der medizinischen Chemie ist das gezielte Einbringen von Fluor oder Bor ein etabliertes Verfahren, um Wirkstoffe stabiler und bioverfügbarer zu machen. Bisher erfordert dies in der synthetischen Chemie jedoch meist aggressive Reagenzien und energieintensive Bedingungen. Dass die Natur diese Bindungen unter milden biologischen Bedingungen mithilfe spezifischer Enzyme knüpfen kann, liefert wertvolle Impulse. Für die Biotechnologie bedeutet dies, dass ein besseres Verständnis dieser enzymatischen Prozesse den Weg zu nachhaltigeren, umweltfreundlichen Synthesemethoden ebnen könnte.
Neue Methoden beschleunigen die Erforschung künftiger Wirkstoffe
Für die Entdeckung weiterer ungewöhnlicher Naturstoffe stehen der Forschung heute moderne Werkzeuge zur Verfügung. Methoden wie Genom-Mining, Metagenomik, Metalloproteomik, Kryo-Elektronenmikroskopie und maschinelles Lernen erlauben es, unentdeckte Gencluster und biochemische Pfade systematisch zu identifizieren. Laut den Autoren der Studie liefert die Erfassung dieser speziellen Stoffwechselwege eine wichtige Grundlage für die Entwicklung neuartiger Biokatalysatoren. Damit könnten künftig nicht nur neue pharmazeutische Wirkstoffe entdeckt, sondern auch nachhaltige biotechnologische Prozesse zur Herstellung hochwertiger Chemikalien etabliert werden.
Welche Chancen oder Risiken sehen Sie in der biologischen Nutzung sonst eher toxischer Elemente wie Arsen in der Pharmaforschung? Diskutieren Sie mit uns in den Kommentaren.
