Nicht nur toxisch, sondern auch ein Nährstoff: Guanidin als Stickstoffquelle

Guanidin ist eine chemische Verbindung aus der Gruppe der organischen Basen, die in der Forschung bislang primär als toxisches Reagenz bekannt war, um die Strukturen von Proteinen und Nukleinsäuren aufzubrechen. Nun hat jedoch ein Team des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) in Zusammenarbeit mit Partnerinstitutionen nachgewiesen, dass Cyanobakterien – die eine Schlüsselrolle in globalen Stoffkreisläufen einnehmen – Guanidin als wertvolle Stickstoffquelle nutzen können. Die Wissenschaftler beleuchten in ihrer Veröffentlichung nicht nur die biologischen Mechanismen, die diesen Prozess ermöglichen, sondern weisen auch auf das Potenzial hin, diese Entdeckung als neues Werkzeug für nachhaltige biotechnologische Anwendungen zu nutzen.

Cyanobakterien als Schlüssel zu einer CO2-neutralen Bioökonomie

Cyanobakterien nehmen als ökologische Akteure eine zentrale Rolle in den globalen Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufen ein. Über ihre natürliche Funktion hinaus gewinnen sie stetig an Bedeutung für die Entwicklung einer CO2-neutralen Biotechnologie. In der Vision einer nachhaltigen Bioökonomie könnten sie künftig als „grüne Zellfabriken“ dienen, um Chemikalien und Kraftstoffe in einer lichtgetriebenen und ressourcenschonenden Weise zu produzieren.

Trotz dieses enormen Potenzials besteht in der Forschung noch erheblicher Nachholbedarf. Im direkten Vergleich zu anderen etablierten Modellorganismen der Bakterienwelt, wie etwa Escherichia coli (E. coli), ist bislang nur wenig darüber bekannt, wie Cyanobakterien auf externe Umwelteinflüsse oder interne Signale reagieren. Auch die genaue Koordination ihres Stoffwechsels sowie die Funktionsweise der zugrunde liegenden Regulationsmechanismen sind in weiten Teilen noch nicht vollständig entschlüsselt.

Guanidin als effiziente Stickstoffquelle

Eine aktuelle Studie des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ), die in Kooperation mit der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg veröffentlicht wurde, liefert überraschende Erkenntnisse über die Überlebensstrategien von Cyanobakterien. Die Untersuchungen zeigen, dass diese Mikroorganismen das Molekül Guanidin (CH5​N3​) aktiv aufnehmen, abbauen und sogar als ihre einzige Stickstoffquelle verwerten können.

Diese Entdeckung wirft ein neues Licht auf die chemische Zusammensetzung natürlicher Lebensräume: Da Cyanobakterien über spezialisierte Mechanismen zur Verwertung von Guanidin verfügen, ist davon auszugehen, dass die Verbindung in der Natur frei verfügbar ist und die Fähigkeit zu ihrer Nutzung einen entscheidenden Vorteil bei der Besiedelung neuer Reviere bietet. Dies ist besonders bemerkenswert, da Guanidin in der Wissenschaft bislang primär aufgrund seiner toxischen Eigenschaften bekannt war.

Entdeckung des hochaffinen Transportsystems für Guanidin

Es war bereits bekannt, dass das Enzym Guanidin-Hydrolase innerhalb der Cyanobakterien-Zelle für die Spaltung von Guanidin in Ammonium und Harnstoff verantwortlich ist, wodurch diese Komponenten in den Stoffwechsel integriert werden können. Die aktuelle Studie erweitert dieses Wissen nun um entscheidende Aspekte der Nährstoffaufnahme: Die Forschenden entdeckten ein spezielles ABC-Transportsystem, das Guanidin mit einer extrem hohen Affinität erkennt. Dieser Mechanismus stellt sicher, dass der Import in die Zelle selbst dann zuverlässig funktioniert, wenn die Guanidin-Konzentration in der Umgebung nur minimal ist.

Um das Überleben der Mikroorganismen zu sichern, verfügen die Zellen gleichzeitig über ein ausgeklügeltes Schutzsystem. Ein spezielles Efflux-System ermöglicht es den Bakterien, Guanidin wieder aus der Zelle hinauszubefördern, sobald die interne Konzentration ein schädliches Niveau erreicht. Da die für diese Verwertung und Regulation notwendigen Enzyme sowie Transportsysteme in Cyanobakterien weit verbreitet sind, unterstreicht dies die allgemeine Bedeutung dieser chemischen Verbindung für die ökologische Anpassungsfähigkeit dieser Bakteriengruppe.

„Die Studie zeigt, dass Guanidin ein integraler Bestandteil des Stickstoffmetabolismus ist und somit auch eine Rolle in den globalen Stoffkreisläufen der Natur spielen muss“, sagt PD Dr. Stephan Klähn. Die Wissenschaftler:innen hatten dafür Genomanalysen, Methoden der molekularen Mikrobiologie mit biochemischen Bindungsstudien und simulationsgestützten Prozessanalysen kombiniert.

Guanidin-Riboswitch revolutioniert die Steuerung von Cyanobakterien

Ein weiterer zentraler Aspekt der Forschungsarbeit war die Entschlüsselung der komplexen Regulation des Guanidin-Stoffwechsels. Die Ergebnisse zeigen, dass die Gene für die Guanidin-Transporter und -Hydrolasen auf mehreren Ebenen kontrolliert werden. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf einem Riboswitch – einem RNA-Schalter, der unmittelbar auf die Bindung von Guanidin reagiert. Diesen natürlichen Mechanismus macht sich das Team nun für die Biotechnologie zunutze: Der Riboswitch fungiert als hochpräzises Schaltelement, mit dem sich die Genaktivität in Cyanobakterien durch die gezielte Zugabe von Guanidin feinjustieren lässt.

Durch diese Entdeckung steht der synthetischen Biologie ein neues molekulares Werkzeug zur Verfügung, das eine kostengünstige und effiziente Steuerung biotechnologischer Produktionsprozesse ermöglicht. Aufgrund seiner Zuverlässigkeit und einfachen Handhabung eignet sich dieses System für vielfältige Anwendungen, bei denen Cyanobakterien als nachhaltige Produzenten wertvoller Stoffe eingesetzt werden.

Quelle

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ (01/2026)