Zuckersüße Susy und die Mutantenbibliothek

4. Februar 2014, 20:02
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Spezielle Zuckerverbindungen könnten Lebensmittel genauso wie Krebsmedikamente wirksamer machen - Grazer Forscher arbeiten mithilfe von Mikroorganismen an den nötigen Designermolekülen

Es herrscht ein Durcheinander im Labor - zumindest auf den ersten Blick. Petrischalen, in denen bunt schillernde Mikroorganismen gedeihen, türmen sich zwischen Fläschchen, Pipettierern und allerlei Gerätschaften. Auf dem Fensterbrett sind Glaskolben aufgereiht: Schimmelpilze in verschiedenen Stadien schwimmen darin - von dunkelgrünen Flecken bis zu wattebauschähnlichen Sporengebilden. "Da züchtet eine Kollegin Schimmel, den sie von Mistelzweigen, Früchten und Wänden abgekratzt hat", sagt einer der Forscher im Vorbeigehen.

Hier wird also wild drauflos experimentiert. Es gilt Kleinstlebewesen, die quasi auf der Straße herumliegen, zu zähmen, um von ihnen Fähigkeiten abzuschauen, die vielleicht in irgendeiner Form dem Menschen nützlich sein könnten. Wer genau hinsieht, findet Hinweise auf eine Ordnung: Auf die Proben sind Chiffren gekritzelt, handgeschriebene Strichcodes markieren den Inhalt.

Die Biotechnologen in den Grazer Labors des Austrian Centre for Industrial Biotechnology, kurz Acib, verstehen sich darauf, ein System im Chaos der Natur zu finden. Im Reagenzglas schmieden sie neue Moleküle. Die Bausteine dafür ringen sie zuerst mühsam natürlichen Organismen ab, um sie dann zu modifizieren und letztlich wieder möglichst naturnah in ein neues Produkt einzuschleusen. Gern wird die Arbeit der Forscher, die sich auf dem Feld der synthetischen Biologie bewegen, mit Legospielen verglichen: Ein Stein muss genau auf den anderen passen, um ein sinnvolles Molekülgebäude zu bauen.

Zu den wichtigsten Werkzeugen in diesem Baukasten gehören Enzyme - Katalysatoren, die fast alle biochemischen Reaktionen in Organismen steuern, von der Verdauung im Darm bis zur Transkription von Erbinformationen in der Zelle. Eines dieser Enzyme nennt sich Susy. "Susy steht für Saccharose-Synthase. Es kommt hauptsächlich in pflanzlichen Organismen wie der Sojabohne vor", sagt Acib-Forscherin Christiane Luley.

Angezuckerte Moleküle

Susy wirkt Wunder: Hinzugefügt zu gewöhnlichem Haushaltszucker, der Saccharose, aktiviert sie den Zucker und gibt ihm damit einen neuen Drive. Nur ein "aktivierter" Zucker kann von einem anderen Enzym aufgenommen und an ein bestimmtes Molekül angedockt werden. Derart angezuckerte Moleküle haben eine Menge Vorteile: "Sie werden stabiler und leichter löslich und können damit etwa besser im Darm aufgenommen werden", erklärt Luley.

Die Anwendungen seien praktisch unerschöpflich, meint die Forscherin: Vom Joghurt-Zusatz bis zum Krebsmedikament sei alles vorstellbar. Flavonoide beispielsweise, die in vielen Lebensmitteln vorkommen, wirken antioxidativ und antikarzinogen, sind aber in natürlicher Form sehr instabil und schwer zu handeln. "Durch ein bestimmtes Zuckergerüst können sie verbessert werden. Das macht sie benutzerfreundlicher", sagt Luley. Potenzial sehen die Forscher auch bei Konservierungsmitteln und Designer-Süßstoffen.

Interesse an maßgeschneiderten Zuckerverbindungen hat neben der Lebensmittelindustrie, die ihre Produktpalette in Sachen "gesunder" Nahrungsmittel aufpeppen möchte, auch die Pharmabranche: Medikamente könnten mithilfe eines Zuckergerüstes, das nur mit der Oberfläche bestimmter Zellen reagiert, punktgenau im Organismus wirken. Neu zusammengebastelte Substanzen könnten als Antibiotika dienen oder in der Krebsbehandlung Erfolge erzielen, sind die Biotechnologen überzeugt. Das Problem bisher: Die nötigen Enzyme kommen in der Natur nur in sehr geringen Mengen vor, und außerhalb ihrer gewohnten Umgebung verhalten sie sich äußerst widerspenstig.

Das mit fünf Millionen Euro dotierte EU-Projekt "Susy", an dem neben dem Acib auch die TU Graz und Partner aus Belgien, Deutschland, Spanien und den Niederlanden beteiligt sind, soll bis 2017 klären, wie Susy und zwei andere wichtige Enzyme zur Zuckerumwandlung in großem Maßstab hergestellt werden können - und zwar möglichst einfach und kostengünstig. "Wir wollen den Beweis antreten, dass die Kombination der drei gekoppelten Enzyme in der Praxis funktioniert, und die Prozesse, die dafür nötig sind, entwickeln", sagt Luley.

Bakterien mit Bauplan

Wie das genau geht, lässt sich in den Labors zumindest erahnen. In der "Medienküche" riecht es streng, mit einem Anflug von Brühwürfel. Hier wird die Bouillon, die Nährlösung für die Armada an Arbeitskräften gebraut, die im Dienste der Wissenschaft Enzyme in Serie produzieren: tausende Mikrobenstämme, die bei minus 80 Grad in einem Gefrierschrank lagern, jederzeit bereit, aus ihrer Kältestarre erweckt zu werden und loszulegen. Dazu müssen sie aber erst einmal den Bauplan verinnerlichen - im wahrsten Sinne des Wortes.

Dazu werden zuerst die Genabschnitte, die in Pflanzen wie Soja für die Herstellung des Enzyms Susy verantwortlich sind, isoliert und vervielfältigt. Dann werden diese Gensequenzen in einen Wirt - meist E.-coli-Bakterien - verpflanzt. Das heißt: Die Bakterien-Zellen werden per Hitze- oder Elektroschock geschwächt, sodass sie das neue Erbgut aufnehmen. In Brutkammern werden sie gehegt und geschüttelt, damit sie möglichst viele der gewünschten Enzyme ausspucken. Um diese zu extrahieren, müssen die Zellen wieder geknackt und die Lösung aufgetrennt werden.

Bleibt noch, die Eigenschaften des Enzyms zu manipulieren - damit es etwa hitzebeständiger wird. Aus dem Dschungel an genetischen Codes müssen die richtigen herausgefischt und neue Baupläne für die Bakterien entworfen werden. "Wir arbeiten mit einer Mutantenbibliothek, in der alle Varianten dokumentiert sind", sagt Luley. Erst wenn sich das Enzym genau so verhält, wie es sich die Forscher wünschen, kann es in großen Reaktoren hergestellt und schließlich für die Biokatalyse eingesetzt werden - bis die Prozesse möglichst effizient ablaufen. So entstehen Hightech-Moleküle, die als aufgemotzte Variationen ihrer natürlichen Verwandten wieder in die freie Wildbahn entlassen werden können.

Auf diese Weise versucht das Acib, das u. a. in Wien einen Standort hat und durch das Kompetenzzentrenprogramm Comet von Wirtschafts- und Infrastrukturministerium gefördert wird, eine Reihe von Biokatalysatoren zu erschaffen. Die besser sein sollen, als es die Natur zulässt. (Karin Krichmayr, DER STANDARD, 5.2.2014)

  • Buntes Bakterientreiben: Mikroorganismen, die in Petrischalen gezüchtet werden, dienen als Versuchsobjekte für Biotechnologen.
    foto: ap photo/martin angelstein

    Buntes Bakterientreiben: Mikroorganismen, die in Petrischalen gezüchtet werden, dienen als Versuchsobjekte für Biotechnologen.

  • Gib dem Enzym Zucker: Acib-Forscherin Christiane Luley arbeitet an neuen Verbindungen auf Basis von Haushaltszucker.
    foto: acib

    Gib dem Enzym Zucker: Acib-Forscherin Christiane Luley arbeitet an neuen Verbindungen auf Basis von Haushaltszucker.

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