Natürliche Sonnenschutzmittel schützen die Haut vor schädlicher Strahlung und verringern gleichzeitig das Risiko allergischer Reaktionen. In einer aktuellen Studie haben Forscher eine bisher unbekannte Verbindung namens β-Glucose-gebundenes Hydroxy-Mycosporin-Sarcosin identifiziert. Diese Substanz wird von wärmeliebenden Cyanobakterien produziert, wenn sie UV-A-, UV-B-Strahlung und salzigen Bedingungen ausgesetzt sind. Im Gegensatz zu anderen bekannten mykosporinähnlichen Aminosäuren (MAAs) entsteht diese Verbindung durch einen besonderen Biosyntheseweg. Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die industrielle Biotechnologie, die sich auf die Herstellung natürlicher UV-filternder Inhaltsstoffe konzentriert.
Wachsendes Interesse an sicherem UV-Schutz
Cyanobakterien sind photosynthetische Bakterien, die Sauerstoff produzieren und für ihre Fähigkeit bekannt sind, in rauen Umgebungen zu überleben. Um mit extremen Belastungen fertig zu werden, produzieren sie eine Vielzahl chemischer Verbindungen. Dazu gehören auch Mycosporin-ähnliche Aminosäuren (MAAs), kleine, wasserlösliche Moleküle, die ultraviolette (UV) Strahlung absorbieren. MAAs schützen die Zellen vor Sonnenschäden und wirken als Antioxidantien, indem sie stressbedingte reaktive Sauerstoffspezies (ROS) neutralisieren. Obwohl diese Moleküle eine gemeinsame Grundstruktur aufweisen, führen ihre Variationen zu unterschiedlichen biologischen Aktivitäten und Funktionen.
Angesichts der zunehmenden Besorgnis über UV-Strahlung und steigende Hautkrebsraten suchen Wissenschaftler nach sichereren Verbindungen, die einen wirksamen Sonnenschutz bieten. Herkömmliche chemische Sonnenschutzmittel können UV-Strahlen blockieren, sind jedoch auch mit allergischen Reaktionen und anderen unerwünschten Nebenwirkungen verbunden. MAAs zeichnen sich dadurch aus, dass sie biokompatibel sind und als sicher für den menschlichen Gebrauch gelten. Diese Eigenschaften machen sie zu vielversprechenden Kandidaten für nachhaltige Biotechnologie und die großtechnische Herstellung natürlicher Sonnenschutzalternativen.
Entdeckung in den heißen Quellen Thailands
In einer neuen Studie identifizierten Forscher unter der Leitung von Professor Hakuto Kageyama von der Meijo-Universität und Professor Rungaroon Waditee-Sirisattha von der Chulalongkorn-Universität ein neuartiges MAA, das von thermophilen Cyanobakterien produziert wird, die in heißen Quellen in Thailand leben. Über die Identifizierung eines neuen Moleküls hinaus gibt die Forschung Aufschluss darüber, wie sich diese Organismen an extreme Umgebungen anpassen. „Das Verständnis der stressreaktiven Biosynthese in extremophilen Cyanobakterien könnte die industrielle Biotechnologie für die Produktion natürlicher Pigmente und Antioxidantien beschleunigen“, erklärt Prof. Kageyama die Motivation hinter der Arbeit. Die Studie wurde online veröffentlicht und später in Band 1009 von Science of The Total Environment veröffentlicht.
Ein einzigartiges Molekül mit seltenen chemischen Eigenschaften
Das Forschungsteam isolierte acht Stämme hitzetoleranter Cyanobakterien aus der heißen Quelle Bo Khlueng in der Provinz Ratchaburi in Thailand. Während der Laborversuche produzierte ein Stamm namens Gloeocapsa species BRSZ eine bisher unbekannte UV-absorbierende Verbindung, wenn er UV-A- und UV-B-Licht ausgesetzt wurde. Die Verbindung, die als β-Glucose-gebundenes Hydroxy-Mycosporin-Sarcosin (GlcHMS326) identifiziert wurde, wurde anschließend eingehend untersucht, um ihre Struktur und Funktion zu verstehen.
GlcHMS326 zeichnet sich durch drei unterschiedliche chemische Modifikationen aus: Glykosylierung, Hydroxylierung und Methylierung. Diese Modifikationen wurden bisher bei MAAs aus Cyanobakterien noch nicht beschrieben. Genetische Analysen ergaben, dass die für die Produktion dieser Verbindung verantwortlichen Cyanobakterien einen einzigartigen Satz von Genen enthalten, die mit diesen chemischen Veränderungen in Verbindung stehen.
Die Produktion von GlcHMS326 steigt deutlich an, wenn die Cyanobakterien UV-A-, UV-B- und hohen Salzbedingungen ausgesetzt sind. Obwohl die Organismen aus heißen Quellen stammen, wird diese spezifische Verbindung nicht durch Hitzestress ausgelöst. Die in GlcHMS326 gefundenen chemischen Modifikationen tragen zu seiner ungewöhnlichen Struktur und verbesserten Leistung bei.
Es ist bekannt, dass Methylierung die Stabilität, UV-Absorption und antioxidative Aktivität von MAA-Verbindungen verbessert. Es wird angenommen, dass Glykosylierung die Stabilität, den Lichtschutz und die antioxidative Abwehr weiter unterstützt. Im Vergleich zu gängigeren MAAs weist GlcHMS326 eine stärkere Radikalfängeraktivität auf, was darauf hindeutet, dass seine modifizierte Struktur eine Schlüsselrolle bei der Steigerung seines antioxidativen Potenzials spielt.
Potenzial für umweltfreundliche Sonnenschutzmittel und darüber hinaus
Die Studie bietet neue Einblicke in die Frage, wie Cyanobakterien in extremen Umgebungen spezialisierte Stoffwechselwege entwickelt haben, um wirksame natürliche UV-Schutzverbindungen zu produzieren. Diese einzigartige MAA scheint eine wichtige Rolle dabei zu spielen, Gloeocapsa-Arten bei der Toleranz gegenüber Umweltstress zu unterstützen, und erfüllt wahrscheinlich mehrere Funktionen innerhalb dieser thermophilen Cyanobakterien. Die aktuelle Studie unterstreicht, dass extremophile Cyanobakterien nicht nur ökologisch wichtig sind, sondern auch einen wichtigen Forschungsbereich für mehrere Disziplinen darstellen.
Die neu identifizierte Verbindung zeichnet sich durch ihre Vielseitigkeit und ihr Potenzial für eine nachhaltige, großtechnische Produktion unter Verwendung von Cyanobakterien als „Biofabriken“ aus. Sie könnte als Alternative zu bestimmten synthetischen UV-Filtern dienen, die Umweltbedenken aufwerfen, und so zur Entwicklung umweltfreundlicherer Sonnenschutzmittel beitragen. Aufgrund ihrer antioxidativen Eigenschaften kommt sie auch für Anti-Aging-Produkte, Hautpflegeformulierungen und Arzneimittel in Frage. „Diese Entdeckung erinnert uns daran, dass die Natur noch viele chemische Überraschungen bereithält. Extremophile Cyanobakterien offenbaren ungewöhnliche Moleküle, die neue Wege in der Grundlagenforschung und nachhaltigen Biotechnologie inspirieren können“, fasst Prof. Kageyama zusammen.