Verbindung aus Cyanobakterien mit Potenzial für den Sonnenschutz

Ein Forschungsteam identifizierte eine mehrfach modifizierte mycosporinähnliche Aminosäuren aus Cyanobakterien. Die Verbindung zeigt erhöhte UV-Absorption und antioxidative Aktivität mit biotechnologischem Anwendungspotenzial.

Cyanobakterien, sauerstoffproduzierende, photosynthetische Bakterien, überleben unter extremen Umweltbedingungen und produzieren hierfür ein breites Spektrum primärer und sekundärer Metabolite. Mycosporinähnliche Aminosäuren (MAAs) sind kleine, wasserlösliche Moleküle aus Cyanobakterien, die als UV‑absorbierende Verbindungen fungieren. Sie vermitteln Photoprotektion und wirken als Antioxidanzien, indem sie stressinduzierte reaktive Sauerstoffspezies (ROS) abfangen. Trotz einer gemeinsamen Grundstruktur zeigen die bislang beschriebenen MAAs eine ausgeprägte strukturelle Diversität, die ihre Bioaktivität und Funktion wesentlich beeinflusst.

In einer neuen Studie identifizierte ein Forschungsteam um Prof. Hakuto Kageyama von der Meijo University in Japan und Prof. Rungaroon Waditee‑Sirisattha von der Chulalongkorn University in Thailand ein MAA‑Molekül aus Cyanobakterien, die heiße Quellen in Thailand besiedeln. „Das Verständnis der stressresponsiven Biosynthese in extremophilen Cyanobakterien kann die industrielle Biotechnologie für die Produktion natürlicher Pigmente und Antioxidanzien beschleunigen“, erläutert Kageyama zur Motivation der Studie, die in „Science of The Total Environment“ veröffentlicht wurde.

Hydroxy‑Mycosporin‑Sarkosin: UV-Filter und Antioxidans

Das Team isolierte acht thermophile cyanobakterielle Stämme aus der Bo‑Khlueng‑Thermalquelle in der thailändischen Provinz Ratchaburi. Unter experimentellen Bedingungen produzierte der Gloeocapsa‑Stamm BRSZ als Reaktion auf UV‑A‑ und UV‑B‑Exposition eine UV‑absorbierende Verbindung. Diese Substanz, als β‑Glukose‑gebundenes Hydroxy‑Mycosporin‑Sarkosin (GlcHMS326) identifiziert, wurde anschließend detailliert hinsichtlich Struktur und funktionellem Wirkmechanismus charakterisiert. Bemerkenswert ist, dass GlcHMS326 drei chemische Modifikationen – Glykosylierung, Hydroxylierung und Methylierung – aufweist, die bei cyanobakteriellen MAAs bisher nicht beschrieben wurden.

Die Synthese von GlcHMS326 wird stark durch UV‑A‑ und UV‑B‑Bestrahlung sowie durch Salzstress induziert, ist jedoch – trotz des Ursprungs der Stämme aus Thermalquellen – nicht mit thermischem Stress assoziiert. Die chemischen Modifikationen tragen wesentlich zu den besonderen strukturellen und funktionellen Eigenschaften des Moleküls bei: Methylierung kann Stabilität, UV‑Absorption und antioxidative Kapazität von MAAs erhöhen, während Glykosylierung nach derzeitigem Kenntnisstand die Stabilität weiter steigert und Photoprotektion sowie antioxidative Abwehr unterstützt. GlcHMS326 zeigt eine ausgeprägtere Radikalfänger‑Kapazität als kanonische MAAs, was darauf hinweist, dass die derivatisierte Struktur mit einem erhöhten antioxidativen Potenzial einhergeht.

Die Befunde dieser Arbeit vertiefen das Verständnis dafür, wie in extremen Habitaten lebende Cyanobakterien einzigartige metabolische Wege zur Synthese spezieller natürlicher UV‑absorbierender Substanzen entwickelt haben. Das beschriebene MAA spielt eine zentrale Rolle in der abiotischen Stresstoleranz der Gloeocapsa‑Spezies und erfüllt mit hoher Wahrscheinlichkeit multiple Funktionen in diesem thermophilen Cyanobakterium.

Entwicklung umweltfreundlicher Sonnenschutzmittel

Die Relevanz von GlcHMS326 liegt sowohl in seiner funktionellen Breite als auch im Potenzial für eine nachhaltige, großskalige Produktion in cyanobakteriellen „Biofabriken“. Die Verbindung kann als Alternative zu bestimmten synthetischen UV‑Filtern dienen, die im Hinblick auf Umweltverträglichkeit kritisch diskutiert werden, und so zur Entwicklung umweltfreundlicher Sonnenschutzmittel beitragen.

Darüber hinaus eröffnet die ausgeprägte antioxidative Aktivität von GlcHMS326 Perspektiven für Anwendungen in Anti‑Aging‑Präparaten, dermatologischen Hautpflegeprodukten und pharmazeutischen Formulierungen. „Diese Entdeckung macht deutlich, dass die Natur weiterhin eine Vielzahl chemischer Innovationen bereithält. Extremophile Cyanobakterien offenbaren ungewöhnliche Moleküle, die neue Impulse für die Grundlagenforschung und die nachhaltige Biotechnologie liefern können“, fasst Kageyama zusammen. (ins)