Foto: Flickr/Oregon State University (CC BY-SA 2.0)
(01.09.2020) FRANKFURT: Molekularbiologen produzieren für kleines Geld betörende Duftstoffe in Hefezellen, um damit Tsetsefliegen aus dem Busch zu locken.
Zugegeben, das Vorhaben einer Gruppe Molekularbiologen von der Frankfurter Goethe-Universität hört sich äußerst kurios an: Sie wollen mithilfe von Hefe „Rinderurin“ brauen anstatt leckeres Bier. „Die Formulierung ist etwas überspitzt“, gesteht der Initiator des Projekts, Arbeitsgruppenleiter Eckhard Boles, – und lacht.
Die Hintergründe des Vorhabens sind hingegen alles andere als lustig. Mit dem „Rinderurin“ möchte das Forscherteam Mensch und Tier südlich der Sahara vor einer tödlichen Bedrohung schützen: der Tsetsefliege (Glossina). Denn im Inneren des blutsaugenden Insekts lauern einzellige Parasiten der Gattung Trypanosoma, die bei der Blutmahlzeit in den Körper der Gestochenen gelangen. Im Menschen verursacht der Flagellat die sogenannte Schlafkrankheit mit zuerst Grippe-ähnlichen Symptomen, befällt bei ausbleibender Behandlung das zentrale Nervensystem und führt schließlich zum Tod. Auch Tiere wie Rinder und Schafe fallen Tsetsefliegen und damit Trypanosomen zum Opfer. Die Erkrankung wird bei ihnen als Nagana-Seuche bezeichnet, tötet die Tiere und führt damit zu teilweise erheblichen wirtschaftlichen Schäden.
Und welche Rolle spielt nun der Rinderurin? „In ihm befinden sich zwei bekannte Duftstoffe, welche die Tsetsefliegen anlocken – 3-Ethyl-Phenol und 3-Propyl-Phenol“, klärt Boles auf. In Afrika werden die beiden chemischen Verbindungen deshalb schon seit Jahren eingesetzt, um die Insekten in Fangfallen zu lotsen und somit ihre Zahl zu reduzieren. Jede der insgesamt über dreißig Glossina-Fliegenarten und -unterarten präferiert dabei ganz individuell bestimmte Duftstoffe oder Duftstoff-Cocktails.
Bislang werden die beiden Alkyl-Phenole aber hauptsächlich aus fossilen Ressourcen produziert oder chemisch aus beispielsweise Cashewnuss-Schalen synthetisiert. Dies ist nicht nur aufwendig, sondern gerade für ländliche Gemeinden in Afrika schlicht zu teuer. Boles und Kollegen hatten deshalb die zündende Idee, auf eine biotechnologische Produktion mit Hefen (Saccharomyces cerevisiae) umzusatteln. „Unser Kollege Martin Grininger vom Frankfurter Institut für Organische Chemie und Chemische Biologie hatte die Idee, die beiden Alkyl-Phenole biochemisch zu synthetisieren, da er sich mit den Enzymen für ihre Synthese beschäftigt“, beschreibt Boles die ersten Schritte, die Produktion in vivo zu verwirklichen.
Im Zentrum der Synthese stehen die Phosphopantetheinyl-Transferase-aktivierte 6-Methylsalicylsäure (6-MSA)-Synthase, kurz MSAS, und die 6-MSA-Decarboxylase (PatG). Die beiden Enzyme kommen eigentlich in Pilzen der Gattungen Penicillium und Aspergillus vor und dienen dort der Biosynthese des Mykotoxins Patulin. Julia Hitschler, Doktorandin in der Arbeitsgruppe Boles, hatte es vergangenes Jahr jedoch geschafft, MSAS und PatG erfolgreich in Hefezellen herzustellen (Metab. Eng. Commun. 9: e00093). „Unsere Hefezellen produzierten dann ausgehend von Acetyl-CoA die Verbindung 3-Methyl-Phenol, auch Meta-Cresol genannt“, erklärt Hitschler und ergänzt: „Diese chemische Verbindung ist unter anderem für seine desinfizierende und antiseptische Wirkung bekannt, kann aber auch zur Synthese anderer Chemikalien verwendet werden, darunter beispielsweise Menthol.“
Doch mit Meta-Cresol lassen sich nur bedingt Tsetsefliegen-Schwärme aus dem Busch locken. Diese fahren vielmehr auf längerkettige Alkyl-Phenole ab. „Um diese herzustellen, benötigt die Zelle andere Ausgangsstoffe – Butyryl-CoA und Propionyl-CoA“, weiß die Doktorandin. Diese beiden Reaktanten können dann von MSAS und PatG zu den Lockstoffen 3-Ethyl-Phenol und 3-Propyl-Phenol umgewandelt werden. Allerdings ging man davon aus, dass sowohl Butyryl-CoA als auch Propionyl-CoA in Hefezellen nicht natürlich vorkommen. Während Hitschler, Boles und Grininger daher planten, Propionat den Hefen zuzufüttern, stellte sich schließlich heraus, dass Saccharomyces das Molekül selbst bereitstellt. „Zufütterung und die Hilfe einer bereits publizierten Propionyl-CoA-Synthase steigerten jedoch die Bildung von Propionyl-CoA“, beschreibt Hitschler eine Möglichkeit, einen der beiden Reaktanten in die Zellen zu bugsieren.
Für die Produktion von Butyryl-CoA entschied sich das dreiköpfige Team für einen Pathway, den die ehemalige Doktorandin Virginia Schadeweg in der Arbeitsgruppe Boles bereits etabliert hatte und der als Nebenprodukt Butyryl-CoA herstellt – die reverse ß-Oxidation.
Die erfolgreiche Transformation publizierten Hitschler et al. dieses Jahr in Scientific Reports (10: 9962) und zeigten damit, dass mithilfe der eingespeisten Enzyme und Synthesewege Hefezellen aus Zucker die begehrten beiden Alkyl-Phenole herstellen können – und sogar noch mehr. „Unsere Hefen könnten auch andere Alkyl-Phenole erzeugen, die in der chemischen Industrie von Interesse sind, beispielsweise bei der Produktion von Schmieröladditiven oder oberflächenaktiven Substanzen in Reinigungsmitteln“, zählt Boles weitere Einsatzgebiete auf.
Ein Nebenprodukt während der Synthese könnte allerdings noch zu Problemen beim Tsetsefliegen-Projekt führen: „Die Produktion von Meta-Cresol können wir leider nicht abschalten, da dessen Ausgangsstoff, Acetyl-CoA, auch in anderen Stoffwechselwegen für die Hefen wichtig ist“, gibt der Frankfurter Molekularbiologe zu. „Aktuell wissen wir noch nicht, ob sich die Tsetsefliegen daran stören würden oder ob sie davon vielleicht sogar auch angelockt werden.“ Das möchte das Frankfurter Forscherteam nun in Zusammenarbeit mit einem Institut herausfinden, das Tsetsefliegen züchten kann. „Wir möchten in Verhaltensstudien untersuchen, wie die Tiere auf unsere synthetisierten Lockstoffe reagieren“, so Boles. Sollte den Fliegen das Meta-Cresol nicht „schmecken“, müsste die Hefe-Lösung noch einmal aufgereinigt werden. Ansonsten könnten die Fangfallen in Afrika möglicherweise direkt mit der Hefe-„Brühe“ aus Boles Labor bestückt werden, beziehungsweise die Lockstoffe könnten direkt vor Ort „gebraut“ werden. „Vorausgesetzt, die Hefen produzieren nicht noch andere Stoffe, welche die Fliegen abschrecken“, wirft Boles ein. „Das erfahren wir hoffentlich in den Verhaltensexperimenten.“
Doch bis es so weit ist, liegt noch ein langer Weg vor dem Frankfurter Team. Denn auch die Ausbeute könnte noch weiter gesteigert werden. Darum kümmert sich Hitschler in den letzten Zügen ihrer Doktorarbeit: „Wir versuchen gerade durch Mutationen von MSAS deren Spezifität so zu verändern, dass sie Butyryl-CoA und Propionyl-CoA bevorzugt verwendet und damit mehr Lockstoffe generieren kann.“ Es sei auch durchaus möglich, über solche gezielten Mutationen die Aufnahme von Acetyl-CoA und damit die Produktion von Meta-Cresol zu drosseln, so die Forscherin.
Die Finanzierung für das Projekt läuft jedoch bald aus. Deshalb ist das Forscherteam auf der Suche nach neuen Geldern für die Verhaltensstudien. Außerdem versuchen Boles und Co. gerade Kooperationspartner in Afrika aufzuspüren, um dort mit Feldversuchen zu starten. „Eigentlich wollten wir das dieses Jahr alles schon starten, aber dann kam uns Corona dazwischen“, gibt Boles einen Einblick. Und obwohl die Universität Frankfurt auf das Verfahren bereits ein Patent angemeldet hat, entpuppt sich die Suche nach Industriepartnern als äußerst schwierig. Der Grund: „Schon alleine die Patenteinreichung war nicht einfach, weil man mit dieser Idee schlicht kein Geld verdienen kann“, so Boles. „Die Produktion ist simpel und kostengünstig, und um die Lockstoffe herzustellen, kann die Hefe-Lösung mit Zucker-haltigen Nahrungsabfällen gefüttert werden.“ Mit einem Unternehmen aus Afrika steht der Frankfurter Forscher dennoch im Gespräch. „Dieses hat bereits einen Abwehrstoff gegen die Tsetsefliegen entwickelt, den die Rinder mit Bändern um ihren Hals tragen. Sie fanden unsere Idee ganz spannend, aber da sind wir noch ganz am Anfang der Verhandlungen.“
Die Finanzierung müsse aber wegen der kaum vorhandenen Gewinnspanne in jedem Fall von einer gemeinnützigen Organisation übernommen werden – etwa von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) oder der Bill-und-Melinda-Gates-Stiftung. Letztere würde laut Boles aber derzeit keine Projekte in diesem Themenbereich fördern. „Momentan dominiert ja auch die Corona-Pandemie das Weltgeschehen, da verschwindet die Schlafkrankheit, die in Europa nicht einmal vorkommt, aus dem Fokus“, so Boles.
Vor zwanzig Jahren hatte sich der Molekularbiologe bereits mit der Bekämpfung der Schlafkrankheit beschäftigt. Damals ging es um eine Methode zur Pharmaka-Entwicklung, ebenfalls in Hefezellen. Die Firmen, die Boles zu der Zeit kontaktierte, reagierten alle auf die gleiche Weise: „Sie meinten, die Schlafkrankheit interessiere sie nicht – im Gegensatz zu Malaria wegen des Tourismus und der drohenden Verbreitung der Malaria-übertragenden Anopheles-Mücke nach Europa durch den Klimawandel. Die Schlafkrankheit betrifft eben nur ganz arme Leute in Zentralafrika – und damit kann man einfach kein Geld verdienen“, berichtet Boles und ist sich sicher: „Wenn wir einen Lockstoff für die Anopheles-Mücke gefunden hätten, müssten wir uns um die weitere Finanzierung heute wohl überhaupt keine Sorgen machen.“ Das Projekt zeige allerdings eindrucksvoll, was Biotechnologie im Idealfall leisten kann, resümiert Boles: Nämlich die Herstellung überlebenswichtiger Stoffe zu praktisch Nullkosten. „Finanzieller Gewinn darf daher nicht der primäre Anreiz sein, um unsere Hefe-basierte Methode praktisch umzusetzen.“
„Braumeister“ Eckhard Boles und Julia Hitschler. Foto: Boles