Pressemitteilung vom 13. Januar 2026
Nicht nur toxisch, sondern auch Nährstoff: Guanidin als Stickstoffquelle
RNA-Schalter als wichtiges Werkzeug für eine nachhaltige Biotechnologie
Guanidin ist eine chemische Verbindung, die zur Stoffgruppe der organischen Basen zählt und in der Forschung bisher vor allem als toxisches Reagenz zum Aufbrechen der Strukturen von Proteinen und Nukleinsäuren verwendet wird. Wissenschaftler:innen des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) haben nun gemeinsam mit Partnerinstitutionen in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) den Nachweis veröffentlicht, dass Cyanobakterien, die eine zentrale Rolle in globalen Stoffkreisläufen spielen, Guanidin als Stickstoffquelle nutzen. Die Forschenden beleuchten die dahinterliegenden Mechanismen sowie das Potenzial für ein neues Werkzeug für nachhaltige biotechnologische Anwendungen.
Cyanobakterien nutzen die Photosynthese, um Lichtenergie in chemische Energie umzuwandeln – und gewinnen zunehmend an Bedeutung für eine CO2-neutrale Biotechnologie.
Foto: André Künzelmann / UFZ
Cyanobakterien sind ökologisch zentrale Akteure der globalen Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufe. Sie gewinnen aber auch zunehmend an Bedeutung für eine CO2-neutrale Biotechnologie. So könnten sie künftig als grüne Zellfabriken eingesetzt werden, für eine lichtgetriebene und nachhaltige Produktion von Chemikalien und Kraftstoffen – ein zentraler Baustein der nachhaltigen Bioökonomie.
Bislang ist aber im Vergleich zu anderen Bakterien wie etwa Escherichia coli(E. coli) wenig darüber bekannt, wie Cyanobakterien auf Umwelt- und interne Signale reagieren, wie ihr Stoffwechsel koordiniert wird und wie diese Regulationsmechanismen genau funktionieren.
Die vom UFZ gemeinsam mit der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg veröffentlichte Studie zeigt nun, dass Cyanobakterien das Molekül Guanidin (CH5N3) aktiv aufnehmen, abbauen und sogar als alleinige Stickstoffquelle nutzen können. Dies deutet darauf hin, dass freies Guanidin in natürlichen Lebensräumen verfügbar ist und die Fähigkeit, es zu verwerten, einen Vorteil für deren Besiedelung darstellt – obwohl Guanidin bisher vor allem als toxischer Stoff gilt.
Zuvor war bereits bekannt, dass Guanidin in der Cyanobakterien-Zelle durch das Enzym Guanidin-Hydrolase in Ammonium und Harnstoff gespalten wird, die durch weitere Reaktionen in den Stoffwechsel einfließen. Die neu erforschten Aspekte umfassen die Aufnahme von Guanidin als Nährstoff über ein neu entdecktes ABC-Transportsystem. Dieses erkennt Guanidin mit hoher Affinität und kann auch bei geringsten Guanidin-Konzentrationen in der Umgebung einen Import in die Zelle gewährleisten. Zugleich schützt ein spezielles Transportsystem (Efflux-System), das Guanidin auch wieder hinaus befördern kann, die Zellen vor zu hohen und damit schädlichen Konzentrationen. Die für die Verwertung von Guanidin verantwortlichen Enzyme und Transportsysteme sind in Cyanobakterien weit verbreitet.
"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, Molekular- und Mikrobiologe am UFZ und Koordinator der Studie.Die Wissenschaftler:innen hatten dafür Genomanalysen, Methoden der molekularen Mikrobiologie mit biochemischen Bindungsstudien und simulationsgestützten Prozessanalysen kombiniert.
Ebenso wurde die Regulation des Guanidin-Stoffwechsels erforscht. Die Regulation der Gene für Guanidin-Transporter und -Hydrolasen erfolgt auf mehreren Ebenen, unter anderem durch einen RNA-Schalter (Riboswitch), der direkt auf Guanidin-Bindung reagiert. Diesen Mechanismus nutzen die Forschenden für die Biotechnologie: Der Riboswitch dient als präzise steuerbares Schaltelement, mit dem sich Genaktivitäten in Cyanobakterien durch Zugabe von Guanidin fein einstellen lassen. So entsteht ein molekulares Werkzeug für eine kostengünstige Steuerung biotechnologischer Produktionsprozesse, das sich für vielfältige Anwendungen in der synthetischen Biologie eignet.
Publikation:
M. Amadeus Itzenhäuser, Andreas M. Enkerlin, Jan A. Dewald, Bihter Av?ar, Ron Stauder, Hannes Halpick, Rosalie Schaale, Lisa M. Baumann, Noelia Fernandez Merayo, Thomas Maskow, Khaled A. Selim, Christina E. Weinberg, and Stephan Klähn: Deciphering guanidine assimilation and riboswitch-based gene regulation in cyanobacteria for synthetic biology applications, PNAS, https://doi.org/10.1073/pnas.2519335122
Weitere Informationen
Dr. Stephan Klähn
UFZ-Department Biotechnologie Solarer Materialien
stephan.klaehn@ufz.de
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Im Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Ursachen und Folgen der weit reichenden Veränderungen der Umwelt und erarbeiten Lösungsoptionen. In sechs Themenbereichen befassen sie sich mit Wasserressourcen, Ökosystemen der Zukunft, Umwelt- und Biotechnologien, Chemikalien in der Umwelt, Modellierung und sozialwissenschaftlichen Fragestellungen. Das UFZ beschäftigt an den Standorten Leipzig, Halle und Magdeburg circa 1.100 Mitarbeitende. Es wird vom Bund sowie von Sachsen und Sachsen-Anhalt finanziert.
www.ufz.deDie Helmholtz-Gemeinschaft identifiziert und bearbeitet große und vor allem drängende Fragen von Gesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft. Ihre Aufgabe ist es, langfristige Forschungsziele von Staat und Gesellschaft zu erreichen. Damit sollen die Lebensgrundlagen der Menschen erhalten und sogar verbessert werden. Helmholtz besteht aus 19 naturwissenschaftlich-technologischen und medizinisch-biologischen Forschungszentren.
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