Neue Screening-Verfahren zur Charakterisierung von Naturstoffen

Wissenschaftler vermuten, dass es weltweit Hunderttausende unentdeckter Naturstoffe gibt, die uns als Wirkstoffe in Medikamenten oder auf andere Weise nützlich sein könnten. Mit Artenkenntnis und modernen Hightech-Verfahren fahnden sie nach neuen Substanzen - für die Bekämpfung von Krebs, Infektionen und anderen Krankheiten.

Seit Jahrtausenden nutzt der Mensch Naturstoffe - als Medizin, Kosmetika oder um sich zu berauschen. Das Wort "belladonna" - "schöne Frau" - im wissenschaftlichen Namen der Tollkirsche Atropa belladonna etwa, rührt daher, dass sich Frauen früher den Saft der hochgiftigen Frucht ins Auge träufelten. Dadurch weitete sich die Pupille. Zwar wirkten die Augen der Damen damit deutlich größer, allerdings büßten sie für gewisse Zeit an Sehschärfe ein.

Lange wurde derartiges Wissen über die Wirkung von Naturstoffen einfach von Generation zu Generation weitergegeben. Erst Mitte des 19. Jahrhunderts begannen Forscher mit wachsendem chemischen Wissen, Substanzen aus Pflanzen, Pilzen oder auch Tieren zu extrahieren und systematisch zu untersuchen.

Die wissenschaftliche Fahndung nach Wirkstoffen hält bis heute an. Mehr noch: Die Wirkstoffsuche in der Natur hat sich inzwischen zu einer der anspruchsvollsten und interdisziplinärsten wissenschaftlichen Tätigkeiten entwickelt. Längst suchen spezialisierte Biologen, Chemiker, Mediziner und Pharmazeuten nach neuen Substanzen. Chemo- und Bioinformatiker unterstützen sie dabei.

Man schätzt, dass bis heute allein aus Pflanzen etwa 200.000 Naturstoffe isoliert und chemisch genauer beschrieben worden sind. Hinzu kommen Tausende Substanzen aus Pilzen und anderen Lebewesen. "Wir wissen aber auch, dass es in der Natur noch Tausende unentdeckter Substanzen gibt, die dem Menschen sehr nützlich sein könnten", sagt Ludger Wessjohann, Leiter der Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie in Halle und Vorsitzender des Leibniz-Forschungsverbunds "Wirkstoffe und Biotechnologie". In dem Forschungsverbund arbeiten Wissenschaftler von 17 Leibniz-Instituten gemeinsam daran, neue Substanzen zu finden und in Produkte zu verwandeln. Seit 2015 gibt es am Braunschweiger Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen sogar eine eigens für die Wirkstoffsuche ausgebildete Tauchergruppe: Mikrobiologen, die in Gewässern nach vielversprechenden Bakterien und anderen Mikroorganismen suchen.

Bei der Wirkstoffsuche gehe es um mehr als neue Medikamente, sagt Wessjohann. "Wir fahnden unter anderem auch nach neuen Duft- und Geschmacksstoffen, die auf natürliche Weise den Geschmack verstärken oder Substanzen für die Landwirtschaft, um zum Beispiel Pilzerkrankungen von Nutzpflanzen zu bekämpfen." So haben die IPB-Forscher ein natürliches Mittel gefunden, welches gegen die Kraut- und Knollenfäule bei Kartoffeln wirkt.

"Pflanzen mit angeblich potenzsteigernder Wirkung entpuppen sich oft als Placebo."

Dabei haben die Forscher ganz verschiedene Fahndungsstrategien. In Vietnam etwa hat Ludger Wessjohann zusammen mit einheimischen Forschern Medizinmänner interviewt und nach traditionellen Heilpflanzen befragt. "Bei diesem ethnobotanischen Ansatz greife ich auf das Wissen der Menschen vor Ort zurück", sagt er. "Allerdings ist nicht jeder Hinweis ein Treffer. Pflanzen zum Beispiel, denen eine potenzsteigernde Wirkung nachgesagt wird, entpuppen sich oftmals als Placebo."

Wessjohann sucht deshalb vor allem nach neuen Gewächsen aus Pflanzen-Familien, in denen häufiger vielversprechende Wirkstoffe zu finden sind. Interessant sind für ihn auch Pflanzen aus extremen Lebensräumen wie Wüsten. Sie haben oft sehr komplexe Verteidigungsmechanismen gegen Fressfeinde oder Krankheitserreger entwickelt, wahre Kampfstoffe, die in manchen Fällen auch beim Menschen wirken - etwa gegen Tumorzellen. Natürlich lassen sich Wirkstoffe heute auch mithilfe der chemischen Synthese entwerfen, herstellen oder abwandeln. Eine solche Produktion von Naturstoffen im Labor schützt die Pflanzen, aus denen der Wirkstoff ursprünglich gewonnen wurde, oftmals vor einem Raubbau. Zum anderen kann man durch eine chemische Veränderung natürlicher Wirkstoffen deren Aktivität verbessern oder Nebenwirkungen verringern. Denn kaum ein Wirkstoff ist für den Menschen in seiner ursprünglichen Form verwendbar. So wurden am IPB sehr aktive Wirkstoffe (Tubugis) gegen Tumorzellen synthetisiert, die auf einer natürlichen Struktur basieren, aber stabiler und schneller verfügbar sind.

Der klassische Ansatz, einen neuen Wirkstoff zu finden, ist das Screening. Dabei wird, vereinfacht ausgedrückt, eine Substanz oder ein Extrakt aus Pflanzen oder Pilzen auf lebende Zellen oder Bakterien geträufelt und anschließend überprüft, ob eine Wirkung eintritt. Auf diese Weise wurde bereits vor Jahrzehnten die Bakterien abtötende Wirkung des Penicillins entdeckt, das von Pilzen produziert wird. Früher pipettierten Laboranten die Substanzen Tropfen für Tropfen in Glasgefäße. Beim modernen Screening nutzt man Pipettier-Roboter. Die füllen in wenigen Sekunden handtellergroße Plastikplatten, mit mehreren Hundert kleinen Näpfchen, sodass parallel viele Tests laufen können.

Solche Roboter sind beispielsweise in der Screening-Unit des Leibniz-Instituts für Molekulare Pharmakologie in Berlin im Einsatz. Tausende von Screening-Tests werden hier an einem Tag durchgeführt. Die Forscher untersuchen bereits bekannte Substanzen, die in sogenannten Bibliotheken verzeichnet sind. Dabei handelt es sich um Stoffe, bei denen man aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften davon ausgeht, dass sie biologisch wirksam sein könnten. Deren Wirkung testen die Berliner im großen Stil. Etwa 60.000 Substanzen werden derzeit in den Bibliotheken geführt, auf die das Institut zugreift. Hinzu kommen etliche Proben, die aus aller Welt eingeschickt werden. Zum einen sind dies Wirkstoffe, die direkt aus Pflanzen oder anderen Lebewesen entnommen wurden, zum anderen neue Wirkstoffe, die im Labor nach dem Vorbild natürlicher Substanzen designt und synthetisiert wurden.

"Viele Labors haben weder die technische Ausstattung noch die Zeit, all diese Substanzen darauf zu testen, welche Wirkung sie haben", sagt der Leiter der Screening-Unit, Jens Peter von Kries. "Diese Aufgabe übernehmen wir." Kann eine Substanz Viren bekämpfen? Tötet sie Krebszellen? Oder kann sie verhindern, dass sich von einem Tumor Zellen lösen, die Metastasen bilden? Zu diesem Zweck wird der Wirkstoff zugleich in viele Hundert Näpfchen auf einer handtellergroßen Platte pipettiert, in denen verschiedene Testreaktionen stattfinden. Da die Näpfchen nur fünf Mikroliter fassen, werden für die Tests nur geringe Mengen einer Substanz benötigt. Das ist ein riesiger Vorteil, weil von vielen Wirkstoffen auch nur geringe Mengen vorliegen - nicht zuletzt, weil die Extraktion und Reinigung aus Pflanzen oder Pilzen so mühsam ist. Die Forscher prüfen auch in Verdünnungsreihen, in welchen Konzentrationen eine Substanz wirksam ist.

In den vergangenen Jahren haben sie auf diese Weise unter anderem Wirkstoffe entdeckt, die die Metastasierung von Tumoren verhindern und künftig als Krebsmedikament zum Einsatz kommen könnten. Darüber hinaus betreiben die Experten um von Kries Grundlagenforschung. "Wir können in den Mikrogefäßen der Testplatten auch studieren, wie bestimmte Stoffwechselprozesse ablaufen oder wie diese durch Wirkstoffe beeinflusst werden", sagt der Biologe. "Wir behandeln damit ganz zentrale Fragen des Gesundheitsschutzes. Es geht nicht nur um die Entdeckung neuer Arzneistoffe, sondern auch um die Frage, welche schädlichen Wirkungen Substanzen in der Umwelt haben."

"Die Wissenschaftler betrachten nicht mehr allein die biochemischen Eigenschaften einer Substanz, sondern lassen sich von natürlichen Phänomenen inspirieren - mit Erfolg."

Die Erfolge der Screening-Unit sind beachtlich. In anderen Fällen aber stößt das klassische Screening an seine Grenzen. Das Problem: Unter den standardisierten Laborbedingungen entfalten Organismen wie zum Beispiel Pilze nicht ihr gesamtes Potential zur Bildung von Substanzen. Das können sie nur, wenn man bestimmte andere Substanzen hinzugibt, die die Produktion aktivieren. Manche Pilze können bestimmte Substanzen nicht außerhalb ihres Lebensraums herstellen, weil Reize aus ihrer Umwelt fehlen. Die Wissenschaftler vom Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie (HKI) in Jena haben sich deshalb ein Stück von den klassischen, breit angelegten Screenings entfernt. Stattdessen achten sie auf die Zusammenhänge in der Natur. Sie betrachten nicht mehr nur die biochemischen Eigenschaften einer Substanz oder einen isolierten Organismus, sondern lassen sich von natürlichen Phänomenen inspirieren. Damit haben sie in den vergangenen Jahren einige interessante Entdeckungen gemacht, unter anderem eine neue Wirkstoffklasse, die künftig als Antibiotika-Ersatz multiresistente Keime bekämpfen könnte.

Eine Spezialität der Forscher besteht darin, im Erbgut von Pilzen oder Bakterien nach ganzen Gruppen von Genen zu suchen. Solche sogenannten Gencluster enthalten die Information für den Bau einer Vielzahl von Enzymen. Und diese Enzyme wiederum sind die Werkzeuge, mit denen Biomoleküle gebaut werden - darunter viele Wirkstoffe. Nach diesem Muster analysierten die Jenaer auch das Erbgut des Bakteriums Clostridium cellulolyticum, das kurz zuvor von anderen Wissenschaftlern entschlüsselt worden war. Tatsächlich fanden sie Gencluster, die die Informationen für Enzyme enthalten, die den Bau eines bis dahin völlig unbekannten Biomoleküls steuern. Doch im Laborgefäß mit den isolierten Clostridium-Bakterien ließ sich keine solche ungewöhnliche Substanz nachweisen. Die Forscher um den Leibniz-Preisträger Christian Hertweck vom HKI besannen sich auf die Herkunft des Bakteriums, das für gewöhnlich im Kompost vorkommt. "Wahrscheinlich fehlt dem Organismus der Reiz aus der Umwelt", vermuteten sie. Und richtig: Nachdem sie einen Extrakt aus Komposterde in das Kulturgefäß gefüllt hatten, startete Clostridium mit der Produktion neuer Substanzen - inklusive des außergewöhnlichen Moleküls, dem sie den Namen Closthioamid gaben. Was genau den Produktionsstart ausgelöst hat, ist noch unklar. Dass zuvor ein Impuls aus der natürlichen Umgebung gefehlt hatte, ist hingegen sicher. "Dieses Molekül ist völlig unbekannt, es enthält viele Schwefelatome und hat sich als sehr aktiv gegen multiresistente Keime erwiesen", sagt Michael Ramm vom HKI. "Bei gewöhnlichen Screenings hätten wir diese Substanz nie entdeckt."

Quelle: Leibniz-Gemeinschaft