Neue Core Facility „Naturstoff-Isolierung und NMR“ am MPI-TM

Interview mit dem Leitungs-Team Anna Wacker und Karsten Siems

Die neue Core Facility für Naturstoffisolierung und NMR am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie wird von Dr. Anna Wacker und Dr. Karsten Siems geleitet. Sie konzentriert sich auf die Isolierung reiner Substanzen aus Mikroorganismen sowie auf deren hochauflösende Strukturaufklärung. Dies ist wesentlich für die Erforschung biologischer Aktivität und die gezielte Optimierung zukünftiger Wirkstoffe. Ziel der Core Facility ist die Beschleunigung und Effizienzsteigerung der Naturstoffforschung.

Was macht Naturstoffe zu potenziellen Lebensrettern? Das Geheimnis liegt in ihrer unsichtbaren Wirkstoff-Architektur. Nur die präzise 3D-Struktur eines Moleküls bestimmt, wie es als Wirkstoff funktioniert – z. B. indem es an Rezeptoren andockt wie ein Schlüssel im Schloss. Ohne dieses Wissen sind gezielte Optimierungen oder das Verständnis von Krankheitsmechanismen unmöglich. Genau hier setzt die neue Core Facility „Naturstoff-Isolierung und NMR“ am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie an.

„Um die Funktion von Naturstoffen aus Mikroorganismen verstehen zu können, muss man ihre genaue Struktur kennen und diese Stoffe für weitergehende Untersuchungen zur biologischen Aktivität auch vorliegen haben. Bisher war die Isolierung immer der zeitaufwändigste Schritt, was sich mit der neuen Core-Facility für unser Institut sicherlich ändern wird“, sagt Helge Bode.

Unter der Leitung von Dr. Anna Wacker und Dr. Karsten Siems kombiniert die Core Facility die Gewinnung reiner Substanzen aus Mikroorganismen mit hochauflösender Strukturaufklärung. Im Interview sprechen Anna und Karsten darüber, wie sie Isolierung und NMR verbinden, was sie motiviert, und warum ihre Arbeit eine wichtige Grundlage für Medikamente von morgen ist.

Anna und Karsten, Ihr seid die neue Doppelspitze für die Core Facility "Naturstoff-Isolierung und NMR“. Was umfasst die Arbeit der Core Facility?

Karsten: Wir isolieren und klären Strukturen auf. Ich bin schwerpunktmäßig für die Isolierung zuständig: Wir gewinnen reine Substanzen aus Mikroorganismen (z.B. aus 5-Liter-Fermentationen). Oft startet man mit 5-10 g Extrakt und erhält am Ende vielleicht 1-2 mg reine Substanz. Diese wird dann analytisch charakterisiert – wir erfassen alle Daten dazu. Aus diesen Daten und der Produktionsgeschichte lässt sich die chemische Struktur ableiten. Oft kann man sie vorhersagen, manchmal gibt es Überraschungen. Man braucht ja die reine Substanz, um ihre Effekte (z.B. als Wirkstoff) zu erforschen.

Bedeutet das, dass ihr manchmal wisst, wonach ihr sucht, und manchmal nicht?

Karsten: Ja. Oft wissen wir es, weil die Organismen genetisch modifiziert und die Biosynthesegene bekannt sind oder gezielt verändert wurden. Ich habe die letzten 30 Jahre bei einer Firma gearbeitet, wo wir uns nur mit Wildtyporganismen beschäftigt haben – da wussten wir vorher nicht, was die produzieren.

Die Core Facility umfasst demnach zwei Bereiche: Isolierung und NMR. Sind diese getrennt voneinander zu betrachten?

Anna: Wir machen es zusammen, aber von unserer Spezialisierung her teilt es sich auf: Karsten macht zwar auch NMR, ich arbeite aber eher wenig an der Isolierung, sondern bin speziell für die NMR-Gerätebetreuung zuständig. Diese Spektrometer können Strukturen von kleinsten Molekülen bis zu Proteinen/DNA/RNA analysieren.

Wie lässt sich NMR vorstellen? Ist es vergleichbar mit einem „Foto“ der Struktur?

Anna: Nein, das macht eher die Röntgenkristallographie oder Kryo-EM. NMR ist indirekter: Wir messen elektromagnetische Signale der Atomkerne und leiten daraus Beziehungen zwischen Atomen ab. Es ergeben sich charakteristische "Fingerprint"-Spektren. Die Strukturaufklärung erfordert viel manuelle Interpretation; es gibt keine vollautomatische Lösung. Widersprüche zeigen Fehler an – wie man das zum Beispiel vom Sudoku-Spiel kennt. Und Mehrdeutigkeiten löst man mit komplementären Methoden (z.B. Massenspektrometrie, die wir auch haben), oder durch NMR-Spezialexperimente.

Warum ist die Kenntnis der genauen Struktur entscheidend?

Anna: Sie ist einerseits essenziell für Patente, aber vor allem für das Verständnis der Wirkung: Wirkstoffe entfalten ihre biologische Aktivität durch strukturbasierte Interaktion mit zellulären Partnern – etwa Rezeptoren. Um Wirkstoffe zu modifizieren oder ihren Mechanismus zu verstehen, muss man die 3D-Struktur kennen, insbesondere die kritischen Bindungsstellen. Denn nur so kann man gezielt herausfinden, welche Strukturelemente für die Wirkung essenziell sind. Ändert man etwas an der falschen Stelle, passt der Wirkstoff nicht mehr zum Zielmolekül – und verliert seine Wirkung. Diese Informationen sind zentral, um Wirkungen zu verbessern oder Mechanismen aufzuklären.

Steht die Core Facility denn auch anderen Gruppen zur Verfügung?

Anna: Die Ausstattung ist umfangreich, und die Kapazitäten sollen effizient genutzt werden – vergleichbar mit der Nutzung von MRT-Geräten. Durch die Bündelung an einem Standort wird die Logistik vereinfacht, Kompetenz vor Ort aufgebaut und ein Angebot für weitere Gruppen geschaffen. Ziel ist es, Prozesse zu optimieren und zu automatisieren, um den Durchsatz zu erhöhen und Forschende von Routinetätigkeiten zu entlasten. Dies beschleunigt die Forschung und ermöglicht Kolleginnen und Kollegen mit molekularbiologischem Schwerpunkt effizienteres Arbeiten.

Kurz zu eurem Background: Karsten, du kamst aus der Industrie?

Karsten: Ja, ich habe in Berlin studiert und promoviert und war von 1993 bis Ende 2025 bei der Firma Analyticon. Wir isolierten Substanzen aus Pflanzen, Pilzen und Bakterien, machten Synthesen und Analytik für den Pharma-, Kosmetik- und Foodbereich – methodisch ähnlich wie hier.

Und du, Anna?

Anna: Ich habe in Frankfurt studiert und promoviert. Nach der Elternzeit arbeitete ich in Teilzeit in meiner Promotionsgruppe in der Forschungskoordination, Administration. Mein Promotionsthema war NMR, später betreute ich Projekte zur RNA-Struktur. Während der Pandemie war ich maßgeblich an der Aufklärung der SARS-CoV-2-RNA-Strukturen beteiligt.

Was reizt euch besonders an der neuen Aufgabe?

Karsten: Ich wollte zurück zur Grundlagenforschung und bin von Naturstoffen/Strukturen begeistert. In der Firma rückte das in den Hintergrund.

Anna: Unter anderem die Aufgabe, molekularbiologisch orientierte Kolleginnen und Kollegen für NMR zu begeistern – auch den wissenschaftlichen Nachwuchs.

Was macht ihr zum Ausgleich?

Karsten: Ich bin naturinteressiert, ich mache Ornithologie und interessiere mich für Streuobstwiesen.

Anna: Ich trenne Work/Life nicht strikt – meine Arbeit macht mir einfach viel Spaß. Mein Ausgleich ist aber Volleyball (in der Region aktiv), meine Familie und unser Garten.

Ihr arbeitet erstmalig zusammen. Wie organisiert ihr die gemeinsame Leitung?

Anna: Das ergibt sich natürlich aus unseren Schwerpunkten, aber wir arbeiten eng zusammen. Das soll ineinandergreifen. Und wir werden es nicht so streng teilen. Wir arbeiten uns gegenseitig ein. Wissenschaft ist immer Teamarbeit.

Liebe Anna, lieber Karsten, vielen Dank für das Gespräch!