Gentechnik: Genetisch veränderte Hefe produziert Alkaloide

Hefezellen wurden in biologische Fabriken verwandelt, die eine Reihe von Alkaloiden herstellen - natürlich vorkommende chemische Verbindungen wie Morphine, die Nitrogenatome enthalten und häufig pharmakologisch nützliche Eigenschaften besitzen. Die Arbeit eröffnet einen Weg für die kommerzielle Herstellung bislang nicht verfügbarer und potenziell wertvoller Alkaloide.

Es ist bekannt, dass tausende verschiedener Alkaloide existieren, doch nur eine Hand voll davon kann in nützlichen Mengen gewonnen werden, üblicherweise, indem man sie aus Pflanzen wie dem Schlafmohn extrahiert. Alkaloide werden durch biochemische Reaktionen unter Beteiligung diverser Enzyme und ausgeklügelter Regulationsmechanismen synthetisiert.

Auf diesem Weg entstehen auch molekulare Zwischenprodukte, die interessante Eigenschaften besitzen könnten, doch die Komplexität dieser Chemikalien und die Tatsache, dass sie nur in sehr kleinen Mengen vorkommen, bedeutet, dass ihre Extraktion oder Synthetisierung schwierig und teuer ist.

Entstehungswege

"Die offensichtliche Vorgehensweise, um mehr dieser Verbindungen zu bekommen, wäre die genetische Veränderung von Pflanzen, um die Produktion entlang der Entstehungswege zu stoppen, sodass sich bestimmte Zwischenprodukte ansammeln", erklärt Christina Smolke, Chemikerin am California Institute of Technology in Pasadena. "Dies wurde bereist versucht, jedoch mit begrenztem Erfolg - schaltet man ein Enzym aus, endet es damit, dass man ein großes Stück des Entstehungsweges ausschaltet."

Andere Wissenschaftler verwendeten bereits Hefe, um Verbindungen wie Hydrokortison (1) und das Antimalariamittel Artemisinin (2) herzustellen. Nun hat Smolke zusammen mit Kristy Hawkins erfolgreich viele der Schlüsselelemente der ausgeklügelten Synthetisierungswege für Alkaloide in einer Hefezelle rekonstruiert. Ihre Arbeit wurde in Nature Chemical Biology veröffentlicht.

Hawkins und Smolke konzentrierten sich auf Benzylisoquinoline, zu denen die Schmerzmittel Morphin und Kodein zählen. Sie transferierten Gene dreier Pflanzen in Hefezellen: Schlafmohn (Papaver somniferum), Gelbe Wiesenraute (Thalictrum falvum) und Schotenkresse (Arabidopsis thaliana), auch Ackerschmalwand genannt. Die Gene codieren Enzyme, die die Produktion von Benzylsioquinolinen aus einfacheren chemischen Bestandteilen unterstützen. Desweiteren fügten sie das Gen für ein menschliches Enzym hinzu, P450, das mit einer Reihe Alkaloide interagiert.

Hohe Ausbeute

Durch das Ausprobieren verschiedener Enzymkombinationen waren die Wissenschaftlerinnen in der Lage, erhebliche Mengen von sieben Benzylsioquinolinen herzustellen. "Nun, da wir an Zwischenprodukte gelangen können, die vorher nicht verfügbar waren, werden umsichtige Studien zu ihrer pharmakologischen Aktivität folgen", sagt Smolke. "Und wir erhalten Mengen von 100 bis 200 Milligramm pro Liter, was respektabel für potenziell wertvolle Moleküle ist. Mit relativ einfachen Optimierungen werden sich wesentlich größere Mengen erzielen lassen."

Sarah O'Connor, Biosyntheseexpertin am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, ist von der Arbeit beeindruckt. "Es ist großartig, dass die Entstehungswege der Alkaloide in Mikroben nachgebildet werden können. Wichtiger noch, Smolke hat gezeigt, wie ihre Methode genutzt werden kann, um neue Enzyme zu entdecken, die an der Biosynthese beteiligt sind."

Smolke sagt: "Die Technik wird es uns auch erlauben, mit der Herstellung nichtnatürlicher Alkaloide unter Verwendung von Enzymen unterschiedlicher Herkunft und in Kombinationen, die natürlicherweise nicht vorkommen, zu beginnen."

(1) Szczebara, F. M. et al. Nature Biotechnol. 21, 143-149 (2003). (2) Ro, D. K. et al. Nature 440, 940-943 (2006).

Dieser Artikel wurde erstmals am 10.8.2008 bei news@nature.com veröffentlicht. doi: 10.1038/news.2008.1031. Übersetzung: Sonja Hinte. © 2007, Macmillan Publishers Ltd

Simon Hadlington