Pflanzenkraft aus dem Bioreaktor – Wie man pflanzliche Moleküle mit Bakterien herstellt

Viele Pflanzen stellen sogenannte Naturstoffe her, die sie vor schädigender UV-Strahlung, Pilzinfektionen oder Fressfeinden schützen, oder Bestäuber anlocken sollen. Unter diesen mehr als 200.000 bisher bekannten pflanzlichen Naturstoffen gibt es unzählige, die zusätzlich vielversprechende pharmakologisch interessante Eigenschaften haben. Allerdings werden diese interessanten Verbindungen häufig nur in sehr geringen Mengen von den jeweiligen Pflanzen gebildet, sodass es schwer ist ausreichende Mengen für ihre Erforschung oder gar eine zukünftige Anwendung zu erhalten.

Eines der bekanntesten Beispiele für solch einen vielversprechenden Naturstoff ist das pflanzliche Molekül Resveratrol. In ersten vorklinischen Studien konnten gesundheitsfördernde Effekte dieses Naturstoffes bei kardiovaskulären, neurodegenerativen, oder altersbedingten Erkrankungen festgestellt werden, wobei die wirksamen Resveratrol-Dosen allerdings bei ca. 50 mg pro Kilogramm Körpergewicht und Tag lagen. Eine durchschnittliche Person von 75 kg Körpergewicht müsste demnach ca. 3,5 g Resveratrol pro Tag zu sich nehmen, um den täglichen Bedarf zu decken.

Und hier beginnt das Dilemma: Selbst mit Lebensmitteln wie roten Trauben und Wein, Erdnüssen oder dunkler Schokolade, die vergleichsweise hohe Mengen an Resveratrol enthalten, kann der Tagesbedarf nicht gedeckt werden. Ein Mensch müsste täglich entweder 2.200 kg Trauben, 35 Tonnen Erdnüsse, 100.000 Tafeln Schokolade essen, oder 2300 Flaschen Rotwein trinken. Zwar ist Resveratrol als Nahrungsergänzungsmittel erhältlich, allerdings werden zu deren Herstellung riesige Mengen Pflanzenmaterial benötigt, aus dem Resveratrol dann aufwendig mit Hilfe von Lösungsmitteln extrahiert werden muss. Da Pflanzen nur langsam wachsen und ihr Resveratrolgehalt aufgrund saisonaler Umwelteinflüsse stark variieren kann, sind diese Extraktionsprozesse sicherlich nicht der ökonomischste oder umweltfreundlichste Ansatz um Resveratrol oder andere interessante Naturstoffe in ausreichenden Mengen zur Verfügung stellen zu können. Zusätzlich stellt sich die Frage, inwiefern es ethisch vertretbar ist, Ackerflächen ihrem eigentlichen Zweck, der Nahrungsmittelproduktion zu entziehen um geringe Mengen an Naturstoffen gewinnen zu können.

Eine vielversprechende Alternative zur Extraktion aus Pflanzen stellt die mikrobielle Synthese von pflanzlichen Naturstoffen dar, an der die Jülicher Biotechnologen arbeiten. Dabei werden Bakterien genetisch so verändert, dass sie pflanzliche Moleküle wie z. B. Resveratrol in großen Mengen auf Basis einfacher Zucker produzieren können. Die Vorteile liegen insbesondere im schnellen Wachstum von Bakterien begründet, die sich innerhalb kürzester Zeit vermehren und dabei Zucker in Biomasse und Naturstoffe umwandeln können. Im Gegensatz zu Pflanzen auf dem Feld, die Umwelteinflüssen direkt ausgesetzt sind, können die Bakterien für die Produktion später in großen Rührkesseln von den Dimensionen eines Einfamilienhauses unter genau kontrollierten Bedingungen kultiviert werden.

Um einen solchen mikrobiellen Produktionsprozess zur Naturstoffsynthese zu etablieren, sind eine Reihe von Schritten notwendig: Zunächst muss ein geeigneter Mikroorganismus ausgewählt werden. Die Jülicher Biotechnologen favorisieren hier das im Erdboden lebende Bakterium Corynebacterium glutamicum, das sich sehr gut genetisch verändern lässt. Im nächsten Schritt werden alle notwendigen genetischen Baupläne für die Synthese des jeweiligen Naturstoffes aus der jeweiligen Pflanze in Corynebacterium glutamicum eingebracht. Im Fall von Resveratrol kamen Gene aus zwei Pflanzen, der Petersilie und der Erdnuss, in Kombination zum Einsatz, da diese beiden Gene zuvor bereits eingehend untersucht worden sind. Beide Gene codieren für Enzyme, die während der Naturstoffproduktion Moleküle aus dem zelleigenen Stoffwechsel von Corynebacterium glutamicum in einzelnen Schritten zu Resveratrol umwandeln sollen.

Damit ist es aber noch nicht getan: Ein Mikroorganismus wie Corynebacterium glutamicum hat eigentlich kein Interesse Naturstoffe oder andere biotechnologisch interessante Moleküle für uns Menschen zu produzieren. Eigentlich möchte das Bakterium nur wachsen und sich vermehren. Deshalb verwenden Wissenschaftler aus dem IBG-1 viel Zeit und Mühe darauf den zelleigenen Stoffwechsel von Corynebacterium glutamicum, an dem weitaus mehr als 1.000 verschiedene Moleküle beteiligt sind, so maßzuschneidern, dass er genau die Bausteine in großen Mengen bereitstellt, die für die Naturstoffsynthese von den pflanzlichen Enzymen benötigt werden. Wird das zelleigene Stoffwechselnetzwerk für die Naturstoffsynthese nicht verändert, können beispielsweise trotz erfolgreicher Etablierung der Resveratrolsynthese in Corynebacterium glutamicum nur wenige Milligramm dieses Naturstoffs hergestellt werden. Werden aber die notwendigen Resveratrolbausteine wie z. B. die Aminosäure Tyrosin selber in großen Mengen synthetisiert, so kann die Resveratrolsynthese um das 30-fache auf Konzentrationen von bis zu 400 mg pro Liter verbessert werden, was einem Vielfachen der pflanzlichen Syntheseleistung von z. B. Weinreben entspricht.

Mit diesen Arbeiten trägt das IBG-1 dazu bei, Naturstoffe umweltschonend für Forschung und Anwendung bereitzustellen.

Ein Beitrag von Lars Milke und Jan Marienhagen.