4. Eignen sich Bakterien zur Sanierung kontaminierter Böden und Abwässer?
Die industrielle Verunreinigung von Böden mit polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) sowie die zunehmende Belastung von Abwässern mit Steroid-artigen Substanzen stellt ein immer ernsteres Problem für die Umwelt dar (u.a. Feminisierung der Fauna). Hier sind Toxikologie-Institute gefordert, geeignete Sanierungsmaßnahmen zu erforschen und zu entwickeln. Ein attraktives Konzept zur Dekontamination belasteter Böden und Abwässer stellen mikrobiologisch orientierte Verfahren dar.

4.1. Steroide als Signalmoleküle in Procaryoten
Bei unseren Arbeiten über die Steroid-regulierte Expression bakterieller Proteine konnten wir zeigen, dass in Comamonas testosteroni nicht nur Steroide-abbauende, sondern auch PAK-abbauende Enzyme durch Steroide induziert werden. Wir haben mittels molekularbiologischer Methoden nun erstmals steroidabhängige cis- und trans- regulatorische Faktoren gefunden, die in der prokaryotischen Signaltransduktion von Steroiden involviert sind. Das Ziel unserer Arbeiten ist der gezielte Einsatz von Mikroorganismen in der Umwelt-Biotechnologie.

4.2 Struktur-Funktionsbeziehungen der 3 -Hydroxysteroid-Dehydrogenase
Nach Aufklärung der Primärstruktur der Steroid-induzierbaren 3- Hydroxysteroid-Dehydrogenase (3-HSD) aus C. testosteroni konnten wir zeigen, dass es sichbei diesem Protein um ein neues Mitglied der Kurzkettigen Dehydrogenase/Reduktase-Proteinsuperfamilie (SDR) handelt (Möbus und Maser 1998). SDR-Proteine spielen u.a. eine Rolle bei verschiedenen Erkrankungen des Menschen. Bisher sind drei Vertreter dieser Familie röntgenkristallographisch untersucht worden. Interessanterweise kann die Steroide metabolisierende 3-HSD auch eine Reihe von xenobiotischen Carbonylverbindungen verstoffwechseln. Wir haben dieses Enzym in einem bakteriellen Expressionssystem überexprimiert, gereinigt, kristallisiert, und dessen dreidimensionale Struktur aufgeklärt. Es sollen nun zielgerichtete Mutationen mit entsprechenden Funktionsanalysen folgen. Hier interessiert uns der Katalysemechanismus, der es diesem Enzym erlaubt, sowohl Steroide als auch nicht-steroidale Verbindungen umzusetzen. Fernziel ist ein Beitrag zur Struktur-Funktions-Analyse der SDR-Proteine, welche auch bei einigen wichtigen Erkrankungen des Menschen eine Rolle spielen (Diabetes, Adipositas, Alzheimer).

4.3. Wie senken fermentierte Milchprodukte den Cholesterinspiegel ?
Milchprodukte können den Plasma-Cholesterinspiegel senken, wenn sie Lebendkulturen von bestimmten Bakterien (Probiotika) enthalten. Der Mechanismus, der die Cholesterin- Konzentration im Plasma vermindert ist unbekannt. Mit einer Anschubfinanzierung vom Danone Forschungsinstitut begannen wir zu untersuchen, ob der Cholesterin-senkende Effekt probiotisch wirksamer Bakterien im kompletten Abbau des Cholesterin-Moleküls im Intestinum besteht. Es ist bekannt, daß einige Bakterien in der Lage sind, auf Steroiden als alleiniger Energie- und Kohlenstoffquelle zu wachsen und dabei das Steroidgerüst vollständig zu CO2 und H2O zu mineralisieren.
Für unsere Untersuchungen wählten wir das aerob wachsende Milchsäurebakterium Streptococcus salivarius ssp. thermophilus (S. thermophilus) aus. Wir konnten tatsächlich zeigen, daß das probiotische Milchsäurebakterium S. thermophilus auf Cholesterin als Kohlenstoffquelle wachsen kann. In einer weiteren Versuchsreihe führten wir den Nachweis, dass das Cholesterin im Medium auch, parallel zum Wachstum von S. thermophilus, verbraucht wird. Schließlich führten wir die differentielle 2-dimensionale Gelelektrophorese durch und verglichen das Proteinmuster von S. thermophilus nach Kultivierung mit und ohne Cholesterin-Zusatz zum Kultur-Medium. Wir fanden 12 Proteine, die durch Cholesterin induziert werden, u.a. eine Katechol-2,3-Dioxygenase, die beim Abbau von Kohlenstoffring- Systemen (Steroide?) eine Rolle spielt.

Ausgewählte Literatur zum Thema
1. Oppermann UCT, Belai I and Maser E: Antibiotic resistance and enhanced insecticide catabolism as consequences of steroid induction in the Gram-negative bacterium Comamonas testosteroni.
J Steroid Biochem Molec Biol 58: 217-223, 1996.

2. Oppermann UCT and Maser E: Characterization of a 3-hydroxysteroid dehydrogenase/ carbonyl reductase from the Gram-negative bacterium Comamonas testosteroni.
Eur J Biochem 241: 744-749, 1996.

3. Möbus E, Jahn M, R. Schmid, Jahn D and Maser E: Induction of steroid and aromatic hydrocarbon metabolizing enzymes by testosterone in the Gram-negative bacterium Comamonas testosteroni.
J Bacteriol 179: 5951-5955, 1997.

4. Möbus E and Maser E: Molecular cloning, overexpression and characterization of steroid inducible 3-hydroxysteroid dehydrogenase/carbonyl reductase in Comamonas testosteroni. A novel member of the short-chain dehydrogenase/reductase superfamily.
J Biol Chem 273: 30888-30896, 1998.

5. Maser E, Möbus E and Xiong G: Functional expression and properties of 3-hydroxysteroid dehydrogenase/carbonyl reductase from Comamonas testosteroni.
Biochem Biophys Res Com 272: 622-628, 2000.

6. Grimm C, Maser E, Klebe G, Reuter K and Pficner R: The crystal structure of 3-hydroxysteroid dehydrogenase/carbonyl reductase from Comamonas testosteroni shows a novel oligomerisation pattern within the short chain dehydrogenase/reductase family.
J Biol Chem 275: 41333-41339, 2000.

7. Xiong G and Maser E: Regulation of the steroid-inducible 3-hydroxysteroid dehydrogenase/carbonyl reductase gene in Comamonas testosteroni.
J Biol Chem 276: 9961-9970, 2001.

8. Skovasch D, Möbus E and Maser E: Cloning and sequencing of a new Comamonas testosteroni gene encoding a testosterone-inducible extradiol dioxygenase.
Biochem Biophys Res Com 294: 560-566, 2002.

9. Xiong G, Martin HJ and Maser E: Identification and characterization of a novel translational repressor of the steroid-inducible 3-hydroxysteroid dehydrogenase/carbonyl reductase gene in Comamonas testosteroni.
J Biol Chem 278: 4740061-47407, 2003.

10. Combourieu B, Besse P, Sancelme M, Maser E, Delort AM: Evidence of metyrapone reduction by two Mycobacterium strains shown by 1H NMR.
Biodegradation 15: 125-132, 2004.