Aromen und Medikamente: Pflanzen als Chemiker

Pflanzen produzieren eine Fülle komplexer, chemischer Verbindungen, um mit ihrer Umgebung zu kommunizieren, sich zu verteidigen oder beispielsweise Bestäuber anzulocken. Mindestens 50. 000 dieser sogenannten sekundären Stoffwechselprodukte existieren im Pflanzenreich. Seit Menschengedenken wurden sie zu medizinischen Zwecken, als Aroma- und Geschmacksstoffe eingesetzt. Mittlerweile hat die Pflanzenforschung viele Wirkstoffe aus Heilpflanzen aufgespürt und charakterisiert: Pektin aus Äpfeln fördert die Verdauung, die Ginkolsäure des Ginkobaumes wirkt gegen Hirnleistungsstörungen und der fieber- und schmerzsenken Wirkstoff aus der Weidenbaumrinde ist als „Aspirin“ bekannt.

Über 50% aller Wirkstoffe, die in Arzneimittel verwendet werden, sind von Naturstoffen der Pflanzen abgeleitet. (Quelle: © iStockphoto.com / Anna Sedneva)

Aus Pflanzen extrahieren

Noch immer sind etwa 50% aller Wirkstoffe in Arzneimitteln pflanzlichen Ursprungs. Dabei gelingt es Pflanzen, Substanzen zu produzieren, die der Mensch mit synthetischer Chemie kaum erzeugen kann. Pharmakologen screenen Heilpflanzen daher nach biologisch aktiven „Leitsubstanzen“, die sich anschließend im Labor synthetisch modifizieren lassen. Durch die Abwandlung des chemischen Grundgerüstes lassen sich potentere Therapeutika mit der gewünschten Wirkung entwickeln. Bei der Suche nach neuartigen und biologisch aktiven Verbindungen werden neben der Analytik auch zunehmend Methoden aus der Pflanzenbiochemie, der Zell- und der Molekularbiologie integriert. Pflanzenforscher fasziniert besonders, wie Pflanzen es schaffen, ein derart diverses Arsenal an Stoffen mit einer relativ begrenzten Anzahl an Stoffwechselwegen herzustellen.  Die Pflanze nutzt dabei modifizierende Enzymen, um das molekulare Grundgerüst eines Stoffes zu variieren und ihr Stoff-Repertoir effizient zu vervielfältigen. Mit solchen Enzymen schafft es die Pflanze beispielsweise eine Vielzahl an grünen Blattduftstoffen herzustellen, die alle von Linolen und Linolsäure abgeleitet werden.

Pflanzen als Biofabriken

Weil Pflanzen begnadete Chemiker sind, werden sie mittlerweile auch als „Biofabriken“ für Impfstoffe, Antikörper, Hormone und verschieden Therapeutika genutzt. Solche hochkomplexen Biomoleküle können nicht chemisch oder in Hefe- und Bakterienzellen synthetisiert werden. Als höhere Lebewesen sind Pflanzen jedoch in der Lage, komplexe Eiweiße zu produzieren.  Diese Moleküle lassen sich zwar auch in tierischen Zellen herstellen, allerdings werden diese leicht von Viren infiziert, die auch dem Menschen gefährlich werden können. Die Produktion in tierischen oder menschlichen Zellkulturen ist daher dementsprechend aufwendiger und teurer. Pflanzliche Biomasse lässt sich dagegen preisgünstig erzeugen.

Durch die Übertragung fremder Gene erhält die Pflanze den entsprechenden Bauplan zur Herstellung und zur korrekten chemischen Nachbearbeitung. Anschließend werden die Wirkstoffe mit den Blättern der Pharmapflanze geerntet und aufgereinigt. Auch Algen eignen sich für die Produktion bestimmter Wunschproteine. Ziel der Forschungskooperation ALGALGLYCO ist beispielsweise die Produktion von Glykoproteinen in Grünalgen. Glykoproteine besitzen besondere physiochemischen Eigenschaften, und sind sowohl für die therapeutische als auch die ernährungsphysiologische Forschung relevant.

Kontrollierte, saubere Bedingungen liefern auch Bioreaktoren mit Pflanzenzellen. So werden pflanzliche Zelllinien bereits dazu genutzt, antimikrobielle  Peptide herzustellen. Diese sollen in der Landwirtschaft und der Medizin gegen Bakterien eingesetzt werden, gegen die Antibiotika bereits wirkungslos sind (Projekt SESAPE). Das erste zugelassene „pflanzengemachte“ Therapeutikum stammt ebenfalls aus in Bioreaktoren gezüchteten Pflanzenzellen. In diesem Fall produzieren Karottenzellen ein menschliches Enzym, das genutzt wird, um Patienten mit Gaucher-Syndrom zu therapieren.