Bild des Monats: Von der Pflanze in den Mikroorganismus Aus dem Institut für Pharmazeutische Biologie

In leuchtendem Gelb erstrahlt unser Bild des Monats Februar und bringt Farbe in den grauen Wintermonat. Es stammt aus dem Institut für Pharmazeutische Biologie und zeigt die Blüte des Johanniskrauts. Klinische Studien belegen, dass die Extrakte aus der Pflanze leichte bis mittelschwere Depressionen lindern können. Für die Wirksamkeit verantwortlich ist vor allem die Substanz Hyperforin. Wie dieser Stoff im Labor biotechnologisch erzeugt werden kann, erforscht Professor Ludger Beerhues mit seiner Arbeitsgruppe.

Johanniskraut ist eine der meist untersuchten Arzneipflanzen. Bildnachweis: Ludger Beerhues/TU Braunschweig

Johanniskraut ist eine der meist untersuchten Arzneipflanzen. Es wirkt antibakteriell sowie entzündungshemmend und wird deshalb zur Wundheilung eingesetzt. Es enthält zudem den Farbstoff Hypericin. Dieser tritt als roter Saft aus, wenn man die Blütenblätter zwischen den Fingern reibt. Hypericin wird aktuell im Zusammenhang mit der Behandlung verschiedener Tumorarten untersucht.

In den hellen Punkten befindet sich das Hyperforin zusammen mit ätherischem Öl. Bildnachweis: Andreas Müller/TU Braunschweig

Johanniskraut ist außerdem vielen bekannt durch seine Wirkung als Antidepressivum bei leichten bis mittelschweren Depressionen. Der Wirkstoff, der dabei zum Tragen kommt, heißt Hyperforin. Hyperforin wird zusammen mit ätherischem Öl in rundlichen Behältern in den Blättern gespeichert. Diese Kugeln sind so groß, dass sie das ganze Blatt durchspannen. Im Gegenlicht sind sie deshalb als durchscheinende Punkte gut zu erkennen.

Mehr als nur ein Johanniskraut

Neben der Arzneipflanze, dem Echten Johanniskraut, gibt es weltweit noch etwa 500 weitere Johanniskräuter. Sie alle enthalten Hyperforin-ähnliche Komponenten. Chemisch gesehen sind diese Inhaltsstoffe sehr kompliziert und daher schwierig im Labor nachzubauen. In den Pflanzen selbst sind sie nur in geringen Konzentrationen vorhanden. Deshalb ist es eine Herausforderung, ausreichende Mengen der Hyperforin-ähnlichen Stoffe aus den verschiedenen Johanniskräutern zu gewinnen. Diese werden aber benötigt, um damit umfangreiche biologische Tests durchzuführen oder die pharmazeutischen Wirkungen durch Veränderungen an den Stoffen zu verstärken.

Hyperforin im Labor herstellen

Professor Beerhues und sein Team verfolgen aus diesem Grund einen biotechnologischen Ansatz: „Wir arbeiten daran, die Biosynthesewege der Wirkstoffe von Johanniskräutern in Mikroorganismen nachzubauen. So wollen wir höhere Ausbeuten erzielen.“ Dafür müssen sie zunächst untersuchen, wie genau die Johanniskräuter ihre komplexen Inhaltsstoffe herstellen.

An der Biosynthese von Hyperforin sind sogenannte Prenyltransferasen beteiligt, die durch Kopplung an gelb-fluoreszierendes-Protein sichtbar gemacht werden. Die Enzyme befinden sich in der Hülle von Chloroplasten, die unter den hier gewählten Bedingungen nicht grün, sondern rot erscheinen. Bildnachweis: Eline Biedermann, David Kaufholdt/TU Braunschweig

Diese Biosynthesewege – also der Weg von den einzelnen Bausteinen bis zum Wirkstoff – sind relativ lang. Die einzelnen Schritte werden durch verschiedene Enzyme unterstützt. Die Gene für diese Enzyme müssen die Forschenden identifizieren, um sie dann in Mikroorganismen transferieren und aneinanderreihen zu können.

Die Herausforderung dabei: Einige der beteiligten Enzyme sind in den Johanniskräutern an die Chloroplasten gebunden, in denen die Fotosynthese abläuft. Mikroorganismen aber haben keine Chloroplasten, so dass das Team alternative Lösungen für eine funktionierende Anordnung finden muss. Gleichzeitig müssen die Forschenden den eingebrachten Biosyntheseweg in den Grundstoffwechsel der Mikroorganismen einbinden.