Wolfsbane ist es egal, ob du es überlebst. Ein einziger Tropfen seines Extrakts kann Ihr Nervensystem lahmlegen. Rittersporn, sein enger botanischer Verwandter, spielt ein ähnliches Spiel – er lähmt Raubtiere mit tödlicher Leichtigkeit. Aber diese chemische Kriegsführung hat eine Kehrseite.
Dieselben Verbindungen, die ein Herz oder ein Gehirn zum Stillstand bringen können, sind auch potenzielle Heilmittel gegen Malaria, Krebs und chronische Schmerzen.
Bisher waren wir der Knappheit der Natur ausgeliefert. Eine ausreichende Menge dieser leistungsstarken Moleküle aus Pflanzen zu extrahieren, ist, als würde man mit einem Teelöffel Gold abbauen. Aber Forscher haben einen gewaltigen Schritt unternommen, um das zu ändern. Sie haben herausgefunden, wie man diese komplexen Chemiebaukästen im Labor nachbauen kann.
Die in Molecular Plant veröffentlichte Arbeit vereint Fachwissen der Michigan State University (MSU) und der Tschechischen Akademie der Wissenschaften. Es ist eine Brücke zwischen alten pflanzlichen Heilmitteln und moderner Gentechnik.
„Pflanzen sind die besten Chemiker überhaupt … Der Mensch hat unzählige Verwendungsmöglichkeiten für diese Moleküle gefunden.“
— Björn Hamberger, MSU-Professor
Warum Pflanzenchemie so schwer zu kopieren ist
Wir betrachten Pflanzen als langsam und einfach. Das sind sie nicht.
Im Laufe von Millionen von Jahren hat die Flora ihre chemischen Arsenale verbessert, um Raubtiere, Krankheiten und Klimastress zu überstehen. Das Ergebnis? Spezialisierte Metaboliten mit so komplizierten Strukturen, dass selbst nach zwei Jahrhunderten Chemie viele davon unsynthetisiert bleiben.
Nehmen Sie Diterpenoidalkaloide. Diese Moleküle kommen im Rittersporn (Rittersporn) und im Wolfsbann (Eisenhut) vor und sind molekulare Monster. Sie vereinen Merkmale der beiden größten und ältesten Gruppen pflanzlicher Chemikalien. Das Ergebnis ist eine so komplizierte Struktur, dass Aconiton – ein berühmtes giftiges Derivat – trotz seiner Isolierung vor fast 200 Jahren nie vollständig in einem Labor aufgebaut wurde.
„Wenn Sie zehn Schritte hintereinander machen … und plötzlich einer aufgibt, können die nächsten Schritte nicht ausgeführt werden“, erklärte Garret Miller, Absolvent der MSU und Co-Erstautor.
Der Versuch, diese Verbindungen aus der Natur zu isolieren, liefert winzige Mengen. Es ist langsam, ineffizient und umweltschädlich. Wir brauchten einen besseren Weg. Wir brauchten ein Fließband.
Wie die Kollision einen Durchbruch schaffte
Der Durchbruch kam nicht von einem einzigen Labor. Es kam zu einer Kollision auf einer Forschungskonferenz in Barcelona.
Das Team von Björn Hamberger an der MSU untersuchte Rittersporn. Bei der gleichen Veranstaltung beschäftigte sich die Gruppe von Tomáš Pluskal an der Tschechischen Akademie der Wissenschaften mit der gleichen Klasse von Verbindungen im Wolfsbann.
Es war das gleiche Problem. Verschiedene Ansätze.
„Wenn das passiert, können wir entweder unsere eigenen Wege gehen oder uns zusammenschließen … es ist immer die Vereinigung, die die beste Wissenschaft hervorbringt“, sagte Hamberger.
Die beiden Gruppen haben ihre Ressourcen zusammengelegt. Ihr Ziel? Kartieren Sie den genauen biochemischen Weg, der rohes Pflanzenmaterial in diese wirksamen Alkaloide umwandelt.
Das genetische Fließband
Um das Rezept zu finden, haben sie nicht geraten. Sie haben gejagt.
Das Team analysierte Tausende von Genen mehrerer Arten. Sie suchten nach spezifischen Markern: welche Gene im richtigen Gewebe zur richtigen Zeit aktiviert wurden, um das Toxin zu bilden.
Sie behandelten die Biologie der Pflanze wie eine Fabrikhalle. Jedes Enzym war ein Arbeiter am Fließband. Ziel war es, jeden Schritt vom Rohmaterial bis zum fertigen Produkt zu identifizieren.
Nach der Kartierung könnten diese genetischen Anweisungen aus der Pflanze entnommen und in einen Wirtsorganismus eingefügt werden. Hefe? Tabak? Es spielt keine Rolle, um welchen Wirt es sich handelt, solange er den Code der Anlage lesen und mit der Herstellung der Verbindung im großen Maßstab beginnen kann.
Im Idealfall können wir so auf die Landwirtschaft komplett verzichten. Keine Felder. Keine Ernte. Nur Bioreaktoren.
Tabakpflanzen schaffen den ersten Durchbruch
Die Forscher hörten nicht bei der Theorie auf. Sie haben es getestet.
Sie nahmen einen vielversprechenden Satz von Genen sowohl vom Wolfsbann als auch vom Rittersporn und fügten sie in Tabakpflanzen ein. Sie verwandelten die Ernte in biologische Fabriken.
Das Ergebnis? Erfolg.
Die chemische Analyse bestätigte, dass der Tabak Atisinium produzierte, ein Diterpenoid-Alkaloid. Die veränderten Pflanzen erzeugten nicht nur ein Fragment; Sie waren dabei, die Versammlung abzuschließen. Sechs verschiedene Enzyme arbeiteten zusammen und brachten das Molekül in seine komplexe Endform.
Noch überraschender war, dass der Prozess eine lebenswichtige Stickstoffquelle hinzufügte, die die Wissenschaftler nicht vorhergesagt hatten.
„Unsere Vision ist es, umweltfreundliche, nachhaltige Werkzeuge bereitzustellen.“
— Björn Hamberger
Was das für die Medizin bedeutet
Dies ist nur der erste Schritt.
Die Identifizierung der Eintrittspunkte des Biosynthesewegs gibt Wissenschaftlern einen Überblick über die gesamte Familie der Diterpenoidalkaloide. Es eröffnet die Möglichkeit, diese Verbindungen auf medizinische Eigenschaften zu testen, ohne das Risiko einer Exposition gegenüber den rohen, unraffinierten Pflanzengiften einzugehen.
Derzeit verwenden wir pflanzliche Arzneimittel wie Capsaicin (Pfeffer) oder Vanillin (Vanille). Die nächste Welle könnte gezielte Krebsmedikamente oder neuartige Schmerzmittel umfassen, die aus genau den Pflanzen gewonnen werden, die einen töten.
Aber es gibt einen Haken.
Der Weg von „wir haben es in einem Labor gemacht“ zu „sicher für Versuche am Menschen“ ist lang. Wir wissen noch nicht, welches dieser giftigen Skelette sich so weit zähmen lässt, dass daraus nützliche Medikamente werden können, und welches nur eine Kuriosität bleiben wird.
Die Chemie ist lösbar. Die Fertigung ist möglich. Bleibt nur noch die Frage, was wir eigentlich damit machen.
