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Fabriken der Zukunft – Wie einzelne Zellen zu Produzenten von Medikamenten oder Biokraftstoffen werden

Inkubator, in dem Kulturen mit verschieden farbigem Licht beschienen werden. Foto: Andreas Klaer

Inkubator, in dem Kulturen mit verschieden farbigem Licht beschienen werden. Foto: Andreas Klaer

Es ist ein Begriff, der in sich widersprüchlich wirkt: Synthetische Biologie. Das Fachgebiet entwickelt sich seit einigen Jahren rasant. Biologen, Chemiker und Ingenieure arbeiten in diesem biotechnologischen Forschungszweig gemeinsam daran, Eigenschaften von Organismen so miteinander zu kombinieren, dass neue Organismen oder Moleküle entstehen, die es so in der Natur nicht gibt. Im Labor können etwa nach dem Baukastenprinzip gewünschte Eigenschaften eines bestimmten Organismus auf einen anderen übertragen werden. Bei vielen Menschen ruft das Skepsis, manchmal auch Angst hervor. Doch wie hilfreich und nützlich die biotechnologische Forschung für das alltägliche Leben ist, zeigt sich an vielen Beispielen.

Katrin Messerschmidt öffnet die Tür des Inkubators. In dem Gerät, das wie eine überdimensionierte Mikrowelle wirkt, steht ein kleiner Glaskolben, gefüllt mit einer trüben Flüssigkeit. Daneben in einer Halterung einige Reagenzgläser. In den Gefäßen befindet sich eine Hefekultur, in der Abermillionen Zellen der gewöhnlichen Bäckerhefe in einer Nährflüssigkeit schwimmen. Die Glastür ist mit Alufolie abgeschirmt. „Damit kein Licht von außen einfällt“, erklärt die junge Wissenschaftlerin. Die Biochemikerin nimmt eine Fernbedienung in die Hand – und dann wird es bunt. Rot, grün, blau – an den Wänden des Wärmeschranks, in dem eine gleichmäßige Temperatur von 30 Grad Celsius herrscht, leuchten kleine Lichterketten auf. Mit der Fernbedienung kann Katrin Messerschmidt einstellen, welche Lichtfarbe die Hefekultur bescheinen soll. „Noch benutzen wir einfache Partylichter, aber später werden wir Dioden mit einer ganz klar definierten Wellenlänge einbauen“, so die Forscherin. Sie arbeitet an einem Prozess, den sie als „lichtinduzierte Proteinproduktion“ bezeichnet.

Seit April 2013 leitet Katrin Messerschmidt am Lehrstuhl für Molekularbiologie die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Nachwuchsforschergruppe „Cell2Fab“. „Synthetische Biosysteme – von der Zelle zur Fabrikation“ ist die korrekte Bezeichnung. Das Team um Katrin Messerschmidt, zu dem neben einem Postdoktoranden und einer technischen Mitarbeiterin auch zwei Doktorandinnen gehören, entwickelt neue Verfahren, die aus den Zellen der Bäckerhefe kleine Fabriken machen sollen.

Saccharomyces cerevisiae – so der wissenschaftliche Name der Bäckerhefe – wird bereits seit Jahrzehnten biotechnologisch verwendet, um nützliche Stoffe herzustellen. Dazu wird das Erbgut der Hefezellen verändert. Eines der ältesten gentechnisch hergestellten Medikamente ist etwa das Hormon Insulin, das für Diabetiker lebensnotwendig ist und heute hauptsächlich von Hefepilzen und Bakterien produziert wird. Bevor Insulin biotechnologisch synthetisiert wurde, musste es aufwendig aus der Bauchspeicheldrüse von Schweinen gewonnen werden. Heute wird Schweine-Insulin nur noch sehr selten verwendet.

Die Forscher von „Cell2Fab“ wollen nun noch einen Schritt weiter gehen. Denn bisher sind es recht einfache, kleine Moleküle, die biotechnologisch von Zellen produziert werden können. Neben Insulin werden etwa fettlösende Enzyme für Waschmittel oder bestimmte Aminosäuren für Futtermittel mithilfe genetisch modifizierter Organismen hergestellt. Für jedes Eiweißmolekül, das produziert werden soll, muss die entsprechende genetische Information aus einem anderen Organismus isoliert, vermehrt und mittels Enzymen ins Erbgut der Zielorganismen eingebaut werden. Und je mehr Informationen gebraucht werden, je komplexer die gewünschten Moleküle also aufgebaut sind, desto größer ist die Störanfälligkeit. „Die Technik für das schnelle Einbringen von vielen genetischen, miteinander kooperierenden Informationen in eine Zelle ist einfach noch nicht vorhanden“, erklärt Katrin Messerschmidt. Genau dies will die Nachwuchsforschergruppe nun ändern. „Unser Ziel ist es, Methoden zu entwickeln, um die entsprechenden Gene klonieren, in die Zellen einbauen und die Produktion in der Zelle zeitlich und räumlich steuern zu können“, so die Wissenschaftlerin. 

Krebsmedikamente, Biokraftstoffe oder Impfstoffe, ja sogar Öl oder Plastik – gelänge es, auch komplexe Moleküle durch einfache Organismen wie Hefepilze herstellen zu lassen, wären die Einsatzmöglichkeiten enorm. Der Vorteil: Die biotechnologische Methode ist oft um ein Vielfaches kostengünstiger, schneller und rohstoffsparender als herkömmliche Produktionswege. Denn Bakterien oder Hefepilze lassen sich relativ einfach mit zusätzlichen genetischen Informationen anreichern und können leicht kultiviert werden. Die produzierten Stoffe müssen schließlich nur noch „geerntet“ werden.

Die Hefezellen so zu verändern, dass sie in der Lage sind, die gewünschten Stoffe zu produzieren, ist die eine Herausforderung, der „Cell2fab“ sich stellt. Die andere ist es, die Produktion von außen zu steuern. Denn nicht immer ist es gewünscht, dass eine Substanz permanent von den modifizierten Zellen synthetisiert wird. Die Forscher sind quasi auf der Suche nach einem An- und Ausschalter. Hier kommt die Partylichterkette ins Spiel. Das Ziel: Werden die Hefezellen mit einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt, startet die Proteinproduktion. Erlischt das Licht, endet auch die Proteinsynthese.

Abgeguckt haben sich die Forscher dieses Prinzip aus der Natur: „Pflanzen müssen wissen, ob draußen Tag oder Nacht ist. Sie haben Proteine, die sich unter Lichteinstrahlung verändern“, erklärt die Biochemikerin. Erst unter Lichteinfluss aktivieren die veränderten Eiweiße bestimmte Genabschnitte in den Pflanzenzellen, die dann die Proteinsynthese starten. Diesen Mechanismus wollen die Forscher nun auf die Hefezellen übertragen. „Bisher wird die Proteinsynthese zum Beispiel mit Chemikalien gestartet“, berichtet Katrin Messerschmidt. Ein Verfahren, dass teuer und aufwendig ist.

Katrin Messerschmidt spricht nicht von „Gentechnik“, wenn sie im Bekanntenkreis von ihrer Arbeit erzählt. „Wenn ich sage, dass ich zum Beispiel mit gentechnisch veränderten Organismen arbeite, ist die erste Reaktion: ‚Was? Oh Gott!‘“, beschreibt sie lachend ihre Erfahrungen. Der Begriff „Gentechnik“ sei in Deutschland sehr negativ belastet, so die Forscherin. Dass die meisten Diabetiker aber Insulin nutzten, das mit gentechnischen Methoden hergestellt wird, wüssten viele Menschen nicht. Inzwischen greift sie häufig zu einem kleinen Trick: „Ich sage dann, ich bringe Hefezellen bei, zum Beispiel Medikamente herzustellen.“ Die Begriffe „gentechnisch“ oder „gentechnisch verändert“ vermeidet sie. „Das wird dann akzeptiert.“

Als Gruppenleiterin arbeitet Katrin Messerschmidt nicht nur wissenschaftlich – sie hat Personalverantwortung, muss Arbeitsmittel beschaffen und Büros einrichten. „Wissenschaft ist dagegen manchmal echt simpel“, sagt sie augenzwinkernd. Das Besondere an der Forschung von „Cell2Fab“ sieht sie vor allem im Praxisbezug: „Wir machen hier etwas, das Grundlagenforschung und angewandte Forschung verbindet. Und letztlich lösen wir Probleme.“ Und dabei hat sie durchaus Großes im Blick: „Wenn wir das schaffen, sind wir vielleicht bald unabhängig vom Öl, oder dann kosten Krebsmedikamente nicht mehr Hunderttausende Euro, sondern können sehr preiswert produziert werden. Wir wollen die Sachen, die wir in der Natur bereits haben, so zusammenbringen, dass wir mit ganz wenig Aufwand großen Nutzen erreichen.“

Einen ersten Kooperationspartner für eine praktische Anwendung der Forschung hat „Cell2Fab“ bereits in Frankreich gefunden. Gemeinsam mit dem Nationalen Institut für Agrarforschung (INRA) arbeitet die Gruppe auf dem Gebiet biologischer Pflanzenschutzmittel. Doch Genaueres will die Wissenschaftlerin noch nicht sagen: „Da passieren gerade spannende Dinge, die wollen wir natürlich nicht zu früh verraten“, sagt sie und lacht. 

Katrin Messerschmidt ist sich der Grenzen ihrer Forschung bewusst. „Es ist allgemein eine große Herausforderung in der synthetischen Biologie, dass wir die komplexen Systeme nicht zu 100 Prozent durchschauen“, so die Biochemikerin. Die Proteinsynthese ist ein fein justiertes System aus Genen, Enzymen und Regulatoren, auf das unzählige Einflussfaktoren wirken. „Eine Pflanze entwickelt so einen Biosyntheseweg nicht über Nacht, das hat schon etliche Millionen Jahre an Evolution gebraucht“, verdeutlicht Katrin Messerschmidt. „Ob wir in kurzer Zeit diese feine Regulation umgesetzt bekommen? Vielleicht nicht unbedingt innerhalb von fünf Jahren.“

Die Wissenschaftlerin

Dr. Katrin Messerschmidt studierte Biochemie in Potsdam und promovierte 2008 ebenfalls an der Universität Potsdam. Seit April 2013 leitet sie die Nachwuchsforschergruppe „Synthetische Biosysteme – von der Zelle zur Fabrikation“ (Cell2Fab).

Kontakt

Universität Potsdam
Institut für Biochemie und Biologie
Karl-Liebknecht-Str. 24–25
14476 Potsdam
E-Mail: messeruni-potsdamde 

Das Projekt

Die Nachwuchsforschergruppe Cell2Fab untersucht die Entwicklung neuer Verfahren für den Einsatz der Hefe Saccharomyces cerevisiae in der biotechnologischen Produktion. Sie wird im Rahmen des Strategieprozesses „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren – Biotechnologie 2020+“ vom Bundeministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Förderzeitraum: 2013–2016, Verlängerung nach Evaluation bis 2018

Text: Heike Kampe, Online gestellt: Agnes Bressa
Kontakt zur Online-Redaktion: onlineredaktionuni-potsdamde