Artemisinin: Umzug in die Tabak-WG

21. Juni 2016
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Der Bedarf an Malaria-Medikamenten in Entwicklungsländern ist hoch – die Gewinnung des Hauptbestandteils Artemisinin jedoch teuer. Für eine günstigere Produktion überführten Forscher daher den Artemisinin-Stoffwechselweg in Tabakpflanzen mit hoher Blattproduktion.

Das natürlich vorkommende Artemisinin wird vom Wildkraut Artemisia annua, dem Einjährigen Beifuß, in nur geringen Mengen produziert. Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie gelang es nun mit Hilfe einer neuen Methode den Vorläufer des Artemisinin, die Artemisininsäure, in großen Mengen herzustellen.

Hierfür transferierten sie den entsprechenden Stoffwechselweg aus dem Einjährigen Beifuß in den Tabak, eine Kulturpflanze mit hoher Blattmasseproduktion. „Malaria ist eine verheerende tropische Krankheit, die nahezu eine halbe Million Menschen jedes Jahr das Leben kostet“, erklärt Ralph Bock, Direktor der Abteilung Organellenbiologie, Biotechnologie und molekulare Ökophysiologie und Leiter der Studie.

Entwicklungsländer sind benachteiligt

„In absehbarer Zukunft wird Artemisinin die wichtigste und stärkste Waffe im Kampf gegen Malaria sein. Aufgrund der aufwendigen Gewinnung aus einer ertragsarmen Heilpflanze ist es allerdings bisher zu teuer und somit kaum zugänglich für Patienten in ärmeren Ländern. Die Produktion der Artemisininsäure in Tabak, einer Nutzpflanze mit großem Blattertrag, wäre eine Möglichkeit, das Medikament auf günstigere Weise herzustellen und es somit vor allem auch für Patienten in Entwicklungsländern verfügbar zu machen“, so Bock.

Das Wissenschaftlerteam nennt seinen Ansatz der Artemisininsäureproduktion in Tabak „COSTREL“, was für kombinatorische Supertransformation von transplastomischen Empfängerlinien steht. Hierfür werden in einem ersten Schritt die Gene für die wichtigsten Enzyme der Artemisininsynthese in das Erbgut der Chloroplasten der Tabakpflanze übertragen.

Neue Methoden der Pflanzenbiotechnologie könnten die kostengünstige Massenproduktion eines Malariamedikaments ermöglichen. Durch den Transfer von Genen des Einjährigen Beifuß in Tabak kann die natürlich vorkommende Artemisininsäure in großem Maßstab produziert werden. © Fuentes

Neue Methoden der Pflanzenbiotechnologie könnten die kostengünstige Massenproduktion eines Malariamedikaments ermöglichen. Durch den Transfer von Genen des Einjährigen Beifuß in Tabak kann die natürlich vorkommende Artemisininsäure in großem Maßstab produziert werden. © Fuentes

Durch die Veränderung der Chloroplasten werden sogenannte transplastomische Pflanzen erzeugt. Die besten dieser Pflanzen wurden dann ausgewählt, um einen weiteren Satz an Genen einzufügen, nun allerdings direkt in den Zellkern der Pflanzen. So entsteht die fertige COSTREL-Linie. Die zusätzlichen Gene greifen in die Regulation des Stoffwechselwegs ein und sorgen dafür, dass die Synthese der Artemisininsäure noch einmal erhöht wird.

Tabaklinien mit unerwartet hohen Aminosäuren-Mengen

„Die Artemisinin-Produktion im Einjährigen Beifuß findet in sogenannten Drüsenhaaren statt und fällt dadurch sehr gering aus. Die COSTREL-Tabaklinien dagegen können das Artemisinin in ihren Chloroplasten und somit im gesamten Blatt herstellen“, beschreibt die Erstautorin Paulina Fuentes einen der entscheidenden Vorteile der Tabakpflanze.

„Wir haben mehr als 600 Tabaklinien erzeugt, die mit unterschiedlichen Kombinationen der Gene des Artemisinin-Stoffwechsels ausgestattet sind und diese hinsichtlich ihrer Menge an Artemisinin-Stoffwechselprodukten untersucht. Wir konnten dadurch Tabaklinien identifizieren, die mit 120 Milligramm pro Kilogramm unerwartet hohe Mengen Artemisininsäure in ihren Blättern produzierten, welche in einer einfachen nachfolgenden chemischen Reaktion in Artemisinin umgewandelt werden kann.“

Produktion weiterer Inhaltsstoffe im großen Stil

Allerdings reichen selbst diese überraschend hohen Produktionsmengen noch nicht aus, um den globalen Bedarf an preiswerten Malariamedikamenten zu decken. Die Studie bildet dennoch eine vielversprechende Grundlage für die günstigere Produktion des lebensrettenden Medikaments in landwirtschaftlichen Nutzpflanzen mit großem Blattertrag.

Damit könnte in der Zukunft die aufwendige Nutzung der ursprünglichen Heilpflanze mit nur geringem Produktionspotential überflüssig werden. Darüber hinaus stellen die Wissenschaftler neue Werkzeuge bereit, um komplexe Stoffwechselwege in neue Pflanzenarten zu übertragen und somit die Produktion auch anderer medizinisch wichtiger Inhaltsstoffe in großem Maßstab zu ermöglichen.

Originalpublikation:

A new synthetic biology approach allows transfer of an entire metabolic pathway from a medicinal plant to a biomass crop
Paulina Fuentes et al; eLife, doi: 10.7554/eLife.13664; 2016

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