Bessere Medikamente dank synthetischer Biologie

     

Die Natur hält einen unerschöpflichen Vorrat an möglichen Medikamenten bereit. Chemische Prozesse sind für deren Herstellung oftmals ungeeignet - die synthetische Biologie könnte hier eine Lösung sein.

Im Jahr 1928 entdeckte Alexander Fleming einen Naturstoff, der Bakterien abtötet: Sein Penicillin revolutionierte die Behandlung von Infektionen. In den 1960er Jahren fanden Forscher in der amerikanische Eibe eine Substanz, die das Wachstum von Tumorzellen verhindert und Brustkrebs bekämpft. Dies sind nur zwei Beispiele von vielen - Naturstoffe sind längst ein wichtiger Teil der Medizin.

Artemisinin - ein kompliziert aufgebauter Naturstoff - schützt vor dem Malaria-Erreger (rot eingefärbt, im Inneren einer Zelle). (Bild: U. Frevert und L. Mizoch)

Tausende weitere Naturstoffe warten darauf, für mögliche Therapien getestet zu werden. Doch ihre natürlichen Quellen - Mikroorganismen, Pflanzen oder Meerestiere - sind meist selten und produzieren nur geringe Mengen der gewünschten Substanzen. Eine Zucht dieser Organismen ist meist schwierig, und der komplizierte Aufbau der Naturstoffe macht rein chemische Synthesen nicht praktikabel. Das Problem ist offenkundig: Wie gelangen Forscher an aus­reichende Mengen für klinische Tests, oder gar für eine weltweite Vermarktung?

Das Malaria-Medikament Artemisin

Eine Lösung bietet die synthetische Biologie. Mit den Mitteln der Gentechnik sollen neue biologische Systeme geschaffen werden, und darunter fallen auch Stoffwechselwege. In den Anfangsjahren (damals noch unter dem Namen metabolic engineering) ging es um die Optimierung bestehender Prozesse. Heute sind die Methoden so ausgereift, dass neuartige Stoffwechselwege machbar sind, die in der Natur nicht existieren.

Der Durchbruch gelang beim Malaria-Medikament Artemisinin. Kein Medikament ist wirksamer gegen den tödlichen Malaria-Erreger, aber seine Herstellung ist aufwändig: Es wird aus einer seltenen tropischen Pflanze gewonnen, die nur in wenigen Gegenden angebaut wird. Damit verbunden sind ein hoher Preis, eine kleine Ernte und starke schwankende Erträge.

Im Jahr 2006 entwickelten synthetische Biologen einen alternativen Stoffwechselweg1: Statt Pflanzen nutzten sie dafür Hefezellen. Sie veränderten den Stoffwechsel der Zellen, schleusten zusätzlich Enzyme von Pflanzen ein, und brachten die Hefe dazu, einen Vorläufer von Artemisinin zu produzieren. Dieser Vorläufer kann über einen einfachen chemischen Prozess in das fertige Malariamittel verwandelt werden. Nach Jahren der Vorarbeit gelang der Sprung in die industrielle Produktion - erstmals hat damit ein synthetischer Stoffwechselweg den Weg vom Labor bis auf den Markt gefunden.

Fluor macht Medikamente besser

Die synthetische Biologie kann auch dabei helfen, bestehende Wirkstoffe zu optimieren. So kann das Element Fluor die Eigenschaften von Medikamenten verbessern - es erhöht die Stabilität und erleichtert die Aufnahme. Klassische chemische Synthesen sind jedoch meist ungeeignet, um Fluor zielgerichtet in die komplizierten Wirkstoff-Moleküle einzubauen. Synthetische Biologen fanden jedoch in Bakterien ein passendes Enzym, mit dessen Hilfe sie einen neuen Stoffwechselweg konstruierten2: Fluor kann nun - an genau definierter Position - in einen Grundbaustein für Medikamente eingebaut werden.

Die synthetische Biologie steht erst am Anfang ihrer Entwicklung, bald wird sie Stoffwechselwege noch effizienter und zielgerichteter konstruieren können. Dabei werden wohl auch weitere neue Medikamente entstehen - und das ist auch dringend nötig: Noch immer sind viele Krankheiten nicht behandelbar. Synthetische Biologen werden ihren Teil dazu beitragen, den Reichtum der Naturstoffe für die Medizin zugänglich zu machen.

1 Paddon et al., High-level semi-synthetic production of the potent antimalarial artemisinin, Nature 2013 (link)
2 V. Henn, Neu geschaffener Stoffwechsel: Bakterien verarbeiten Fluor, zellstoff-Blog September 2013 (link)
Artemisinin - ein kompliziert aufgebauter Naturstoff - schützt vor dem Malaria-Erreger (rot eingefärbt, im Inneren einer Zelle). (Bild: U. Frevert und L. Mizoch)

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Kurz und knapp 

  • Naturstoffe können die Medizin vorantreiben, sind aber oftmals schwer verfügbar
  • die synthetische Biologie erschafft neue Prozesse, um Naturstoffe zu erzeugen und nutzbar zu machen
  • ein neuer Stoffwechselweg erlaubt die industrielle Produktion des Malariamittels Artemisinin in Hefezellen
  • mit Hilfe eines bakteriellen Enzyms kann Fluor zielgerichtet in Medikamente eingebaut werden