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Natur häufig Vorbild

Bakterien, Viren und Parasiten lösen Krankheiten aus, die sich mit gängigen Medikamenten oft nicht zufriedenstellend behandeln lassen. Forscher suchen deshalb nach neuen Strukturmotiven für Arzneien. Jahr für Jahr nehmen die Resistenzen gegen Antibiotika zu. Während in den letzten zehn Jahren die...

Die Herstellung von Grippe-Impfstoffen in Hühnereiern ist zeitaufwendig und umständlich. Auch bei anderen immunologisch relevanten Präparaten ist die Herstellungsmethode der entscheidende Engpass. Für HIV und Hepatitis wurde jetzt die Herstellung mit Algen im Bioreaktor erfolgreich getestet.
Alle Jahre wieder im Juni trifft nach monatelanger Produktionsphase die neue Charge Grippe-Impfstoff in den Kliniken ein, die vor der nächsten Grippesaison noch getestet werden muss. Zwischen der Entscheidung dafür, welche Erregerstämme bei der Impfung berücksichtigt werden sollten, und der Verabreichung der Impfung selbst vergeht der größte Teil des Jahres. In dieser Zeit kann sich die Virenpopulation so stark verändern, dass die Impfung wirkungslos wird. Oder ein neuer Virenstamm wird unerwartet virulent und breitet sich so schnell aus, dass die Impfstoffhersteller chancenlos sind.Die Probleme mit der seit 70 Jahren verwendeten Impfung sind bekannt: Nur die im lebenden Organismus, also im Hühnerei gezüchteten Virenpartikel wirken. Einzelne Virenproteine lassen sich zwar in einfacheren Systemen rekombinant herstellen, aber diese sind weniger wirksam.Herstellungsprobleme gibt es auch bei anderen Wirkstoffen. Antikörper könnten Wunder wirken, aber ihre Herstellung erfordert lebende Säugetierzellen und ist deshalb astronomisch teuer. Einige Forschungsgruppen haben versucht, Pflanzen genetisch zu manipulieren, damit sie Antikörper komplett mit allen erforderlichen Modifikationen herstellen.1) Diese Verfahren sind allerdings nicht hinreichend effizient, um sie kommerziell zu nutzen.Neuere Arbeiten wecken Hoffnungen darauf, dass Algen Impfstoffe und Antikörper effizient biotechnisch produzieren könnten.<h2>Algen gegen Aids</h2>Die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii (Abbildung 1) ist ein molekularbiologisch gut charakterisiertes Modellsystem, da sich ihr Genom im Labor leicht manipulieren lässt. Nur mit der gentechnischen Expression von Fremdproteinen wollte es bei dieser Alge bisher nicht so gut klappen wie etwa bei Bakterien oder Hefen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/KFCqt4MyRKeuquJ9D9Yq"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. <named-content>Quelle: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College</named-content></figcaption></figure>
Die Arbeitsgruppe von Ralph Bock am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm entwickelte Mutanten, die eine höhere Expressionsrate für Fremdgene aufweisen als die gängigen Stämme.2)Dann untersuchte sie, welche Bedeutung der ungewöhnlich hohe Guanin- und Cytosingehalt der Algen-DNA sowie die Codon-Wahl für die Expression von Fremdproteinen haben. Da für die 20 Aminosäuren des genetischen Codes und das Stoppsignal insgesamt 64 Dreierkombinationen der DNA-Buchstaben A, C, G und T zur Verfügung stehen, werden viele Aminosäuren von mehr als einer Kombination vertreten. Somit kann jede Art sowohl die Häufigkeit bestimmter Codons variieren als auch den Anteil der GC-Basenpaare, die mit ihren drei Wasserstoffbrückenbindungen etwas stabiler sind als AT-Paare mit zwei.Diese beiden Parameter hängen zusammen, da ein Austausch eines GC-Paars gegen ein AT-Paar beide beeinflusst, wirken aber unterschiedlich. Der GC-Gehalt beeinflusst die globale thermodynamische Stabilität der DNA und ist deshalb zum Beispiel bei hitzeliebenden Mikroben auffallend erhöht. Die Häufigkeit der Codonwahl hingegen muss mit der Verteilung der Transfer-RNA abgestimmt werden, die diese Codons erkennt und ihnen die entsprechenden Aminosäuren zuordnet.Durch systematische Expressionsversuche, in denen sie beide Parameter getrennt variierten, wiesen die Max-Planck-Forscher nach, dass die Codonwahl das limitierende Kriterium ist.3) Wenn die Alge ein Fremdgen mit abweichender Codonhäufigkeit exprimieren soll, gehen ihr die Transfer-RNAs aus, die sie sonst nicht so oft verwenden würde – und die Expression verlangsamt sich.Aufgrund dieser Erkenntnisse produzierte die Arbeitsgruppe nun einen vielversprechenden Impfstoff, nämlich das HIV-Oberflächenprotein p24, in der Alge. Dazu bearbeiteten die Forscher das HIV-Gen so, dass seine Codonhäufigkeit den Gewohnheiten der Alge entspricht, ohne dass sich dadurch die Abfolge der codierten Aminosäuren ändert. Mit derselben Methode erreichten sie auch die Expression eines weiteren Fremdproteins, des Genmarkers nptII.4)Die Anreicherung des exprimierten Fremdproteins in der Alge erreicht ähnliche Werte wie die in der Tabakpflanze. Im Gegensatz zu dieser gedeiht Chlamydomonas im Bioreaktor ohne Nährstoffquellen – außer dem Kohlendioxid aus der Luft und den Mineralien aus dem Wasser –, vermehrt sich rasch und ist gentechnisch leichter zu verändern. Chlamydomonas könnte mit dieser Methode zu einer konkurrenzfähigen Spezies in der biotechnischen Herstellung von Pharmawirkstoffen werden, hoffen die Autoren.<h2>Antikörper aus Kieselalgen</h2>Franziska Hempel und Kollegen am Zentrum für synthetische Mikrobiologie in Marburg exprimierten im Jahr 2011 einen monoklonalen menschlichen Antikörper der IgG-Klasse gegen das Oberflächenprotein der Hepatitis B komplett mit diesem Protein, also dem zugehörigen Antigen, in der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum. Dieses Protein dient bereits als Impfstoff gegen Hepatitis B. Seine Herstellung in Hefekulturen ist allerdings teuer.Bei der Methode von Hempel et al. reicherte sich der Antikörper bereits nach wenigen Stunden in hoher Konzentration (8,7 % des löslichen Proteins) im endoplasmatischen Retikulum (ER) der Kieselalgen an.5) Diese Werte übertreffen bei weitem die Expression desselben Proteins in der Tabakpflanze. Auch wird der Impfstoff in der Kieselalge besser exprimiert als in der Tabakpflanze. In einem weiteren Schritt brachten Hempel und Kollegen die Kieselalge dazu, die Fremdproteine in das Wachstumsmedium abzusondern. Da die Alge sonst keine nennenswerte Menge an Protein ausscheidet, fallen die Fremdproteine bereits in reiner Form an, und ein Zellaufschluss mit Proteinaufreinigung ist nicht erforderlich.6)Die Herstellung rekombinanter Proteine in Kieselalgen im Bioreaktor umgeht außerdem einige Probleme, die bei Gefäßpflanzen unumgänglich sind, heben die Marburger Autoren hervor. Dazu gehören die langsame Generationenfolge, die Ausbreitung genetisch veränderter Samen sowie die Konkurrenz mit der Landwirtschaft um Ressourcen. Nach Isolierung der Pharmaproteine aus den Sekreten der Kieselalge könnten deren Rückstände zusätzlich Biokraftstoff erzeugen. Im Gegensatz zu den teuren und aufwendigen Zellkulturen mit Säugerzellen ist bei Pflanzen und Algen die Übertragung von Krankheitskeimen grundsätzlich ausgeschlossen.Die bemerkenswerteste Eigenheit der Kieselalgen, ihre filigrane Silikathülle,7) steht bei Bemühungen zur Proteinexpression eher im Weg: Das Silicium muss zur Verfügung gestellt und nachher wieder rezykliert werden. Doch könnte das gläserne Skelett dieser Algen womöglich auch als Medikamententransporter dienen. Die Arbeitsgruppen von Nils Kröger am B-Cube-Forschungszentrum der TU Dresden und Nicolas Voelcker an der University of South Australia in Mawson Lakes demonstrierten diesen neuen Ansatz vor kurzem, indem sie das antikörperbindende Protein G in der Kieselalge Thalassiosira pseudonana so exprimierten, dass sich dieses auf der Oberfläche der Silicaschale präsentiert, auch wenn die Kieselalge abgetötet und das Biosilica aufgereinigt wird.8)Die proteindekorierte Schale kann als Grundlage für zielgerichtete Waffen gegen Krebsgeschwüre dienen, wenn man etwa an das Protein G geeignete Antikörper zur Steuerung bindet. Die eigentlichen zytotoxischen Wirkstoffe verpackten die Forscher in Lipidvesikel, die sie durch elektrostatische Adhäsion an die Oberfläche der Diatomeenschale banden (Abbildung 2).<figure><img src="https://media.graphcms.com/3eQrmzQYQ966Gu3UkTDm"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Wirkprinzip therapeutischer Nanopartikel aus genetisch veränderter Kieselerde. Gentechnisch veränderte Kieselerde (grün) aus Diatomeen enthält in Liposomen eingeschlossene Arzneistoffmoleküle (gelb). Wird die Kieselerdeoberfläche mit zellspezifischen Antikörpern funktionalisiert, bindet das Nanopartikel an zusammenhängende Neuroblastomzellen (pink) und an suspendierte Lymphozyten (violett).8)</figcaption></figure>
<h2>Grüne Triebe</h2>Unterdessen geht die Forschung mit pflanzlichen Expressionssystemen weiter. Icon-Genetics in Halle, das zum Bayer-Konzern gehört, entwickelt personalisierte Impfstoffe zur Behandlung des oft mit AIDS assoziierten Non-Hodgkin-Lymphoms, einer Art Lymphsystemkrebs. Die Impfstoffe sind Antikörper, die sich vom Tumor des Patienten ableiten und dann in Tabakpflanzen in größerer Menge hergestellt werden. Vor kurzem zeigte eine klinische Studie (Phase I), dass die Antikörper sowohl verträglich sind als auch die Immunantwort gegen den Tumor stimulieren.Biolex in Pittsboro, North Carolina, musste hingegen bereits im Jahr 2012 seine Versuche aufgeben, menschliche Antikörper in Wasserlinsen herzustellen, und Konkurs anmelden.Greenovation in Freiburg hat unterdessen Moos als Produktionssystem auserkoren, und zwar die Art Physcomitrella patens. Das erste Produkt des Unternehmens ist die rekombinante Version der menschlichen α-Galaktosidase für die Ersatztherapie der Fabry-Krankheit, einer seltenen erblichen Stoffwechselstörung. Das Enzym befindet sich derzeit in der klinischen Erprobung. Drei weitere Wirkstoffkandidaten, die sich in dem Moossystem produzieren lassen, sind in der Pipeline.Ein pflanzliches System, das die Hühnereier für die Grippeimpfung ersetzt, müsste allerdings erst noch erfunden werden.Michael Groß ist freier Wissenschaftsjournalist in Oxford, England. <a href="https://www.michaelgross.co.uk" target="_blank">www.michaelgross.co.uk</a>
<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 M. Groß, Nachr. Chem. 2007, 55, 412.</li><li>
2 J. Neupert, D. Karcher, R. Bock, Plant J. 2009, 57, 1140.</li><li>
3 R. Barahimipour, D. Strenkert, J. Neupert et al., Plant J. 2015, 84, 704.</li><li>
4 R. Barahimipour, J. Neupert, R. Bock, Plant Mol. Biol. 2016, 90, 403.</li><li>
5 F. Hempel, J. Lau, A. Klingl, U. G. Maier, PLoS ONE 2011, 6, e28424.</li><li>
6 F. Hempel, U. G. Maier, Microbial Cell Factories 2012, 11, 126.</li><li>
7 M. Groß, Nachr. Chem. 2011, 59, 734.</li><li>
8 B. Delalat, V. C. Sheppard, S. R. Ghaemi et al., Nature Comm. 2015, 6, 8791.</li></ul>

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