Modular Metabolics

Wohin wollen wir? Wertgebende Stoffe aus Pflanzen.

Pflanzen bilden nach neuesten Schätzungen etwa eine Million spezifische Sekundärmetabolite. Viele dieser Metabolite haben die biologische Funktion, die Wechselwirkung mit anderen Organismen zu steuern und sind daher häufig pharmazeutisch aktiv. Viele dieser oft kostbaren und teuren Inhaltsstoffe können nicht synthetisch hergestellt und müssen daher aus ihrer natürlichen Quelle extrahiert und aufgereinigt werden. Die zugrundeliegenden Stoffwechselwege sind komplex und erfordern das Zusammenwirken verschiedener Zelltypen, bis der Wirkstoff in spezialisierten, oft einzelnen, Exkretzellen eingelagert wird. Dies macht die Extraktion häufig mühsam und wenig ertragreich, außerdem sind viele dieser Pflanzen selten und bedroht. Beispielsweise wurde die Pazifische Eibe durch die Entdeckung, dass Taxol Krebszellen hemmt, an den Rand der Ausrottung gebracht. Biotechnologische Ansätze wären hier eine Alternative.

Wo liegen die Grenzen?

Die Erzeugung von Sekundärmetaboliten spielt nur eine marginale Rolle. Das liegt nicht an Mangel an Interesse – die Synthese des Antikrebs-Wirkstoffs Vinblastin in Zellkulturen von Catharanthus roseus wird seit inzwischen einem halben Jahrhundert verfolgt mit sehr bescheidenen Ergebnissen. Es genügt nicht, dass die Zelle diese Enzyme herstellt und dann in einem "Topf" zusammenrührt - viele der chemische Reaktionen sind nicht miteinander verträglich und müssen daher in verschiedenen Kompartimenten ablaufen - so werden die ersten Stufen des Jasmonsäurewegs im Plastiden ablaufen, dann wird ein Zwischenprodukt in die Peroxisomen geschafft und schliesslich bekommt das Produkt im Cytoplasma den letzten Schliff. Häufig werden die Zwischenprodukte sogar zwischen verschiedenen Zelltypen ausgetauscht. So etwas lässt sich nicht in einem typischen Biofermenter nachstellen. Die Erzeugung wertgebender pflanzlicher Sekundärstoffe setzt also voraus, dass Zelltypen mit unterschiedlichen metabolischen Leistungen über einen Fluß gekoppelt werden.

Der neue Ansatz – modulare Mikrofluidik.

Unsere Idee setzt genau hier ein. Im Grunde wollen wir ein Pflanzengewebe technisch nachbilden. Dazu setzen wir nicht auf einen üblichen Fermenter, sondern auf ein Mikrofluidiksystem, das zwischen unterschiedliche Zelltypen, die jeweils unterschiedliche metabolische Leistungen vollbringen, einen metabolischen Fluß herstellt. Das Produkt soll dann im Durchfluss aufgefangen werden. Durch den modularen Aufbau lassen sich auch unterschiedliche Kombinationen erzeugen, die zu unterschiedlichen Wirkstoffen (auch Derivate, die natürlicherweise in der Pflanze gar nicht vorkommen) führen. Ein metabolisches Modul besteht dabei aus Zellen, bei denen über genetic engineering jeweils ein metabolisches Schlüsselenzym überexprimiert ist. Genausogut könnte man aber auch verschieden differenzierte Zelltypen einer Pflanzenart auf diese Weise legoartig verbinden.

Wo stehen wir?

Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe Dr. Guber, Institut für Mikrostrukturtechnik (KIT-CN) wurde in einem mehrjährigen Prozess ein mikrofluidischer Biofermenter entwickelt und zum Patent eingereicht, in der Zellen der Tabaklinie BY-2 über längere Zeit kultiviert werden können. Das System wurde so optimiert, dass die biologische Funktionalität der Pflanzenzellen vollständig erhalten bleibt und im Durchfluss abhängig vom Entwicklungszustand der Zellen unterschiedliche Sekundärmetaboliten geerntet werden können. Damit konnten wir nun, gemeinsam mit der Firma Phyton Biotech, dem weltgrößten Hersteller des Antikrebsmittels Paclitaxel, ein großes BMBF Projekt einwerben, wo wir diese Technologie auf den Weg bringen wollen. In dem Projekt wurden zwei Zellsysteme untersucht: Taxus chinensis (hier geht es um die Erzeugung von Paclitaxel) und Catharanthus roseus (hier geht es um die Erzeugung von Vinca-Alkaloiden). In beiden Systemen konnten wir verschiedene Zelltypen nachweisen, die vermutlich auch hinsichtlich ihrer Kompetenz für die Produktbildung unterschiedlich sind. Für das Catharanthus-System konnten wir zwei komplementäre Zelltypen finden, die jeweils einen Zweig des Alkaloidwegs aktiviert haben. Durch Fütterung der jeweils fehlenden Vorstufe gelang es hierbei zum ersten Mal, Vincristin nachzuweisen - mehr als 60 Jahre lang war das intensiv, aber vergeblich versucht worden. Wir hoffen, im Rahmen eines DFG-Schwerpunkts diesen Prozess nun so weit entwickeln zu können, damit man ihn anwenden kann.