Prof. Dr. Rainer Fischer: Die molekularbiologische Forschung und Entwicklung ist bunt

Die Expression rekombinanter Proteine in mikrobiellen, tierischen und pflanzlichen Zellkulturen gehört zu den grundlegenden Techniken der Molekularen Biotechnologie. Die Erzeugung veränderter Pflanzen ohne Gentechnik oder die Entwicklung neuer Antikörper-basierter Pharmazeutika sind nur einige der Ziele dieses innovativen Forschungszweiges.

 

Vor gut 15 Jahren gründete die Fraunhofer-Gesellschaft zur Stärkung der biotechnologischen Kompetenz am damaligen Fraunhofer-Institut für Umweltchemie und Ökotoxikologie IUCT eine Abteilung für Molekulare Bio­­technologie. Bereits zwei Jahre später ist die Ab­­tei­­lung so erfolgreich, dass ein neuer Bereich mit meh­reren Abteilungen eingerichtet und das Institut in Fraunhofer-Institut für Molekular­biologie und Ange­wandte Oekologie IME umbenannt wird. Das Ziel des Instituts­be­­reichs Molekular­­bio­­lo­gie ist es, inno­­vative Lösungen und Pro­dukt­­kandidaten zur Diagnose und The­­ra­­pie menschlicher sowie tierischer Krank­­heiten und neue Tech­­nologien zum Schutz von Nutz­­pflanzen und Nahrungsmitteln zu entwickeln und anzuwenden. Die molekularbiologische Forschung am Fraunhofer IME ist durch ihre Anwendungsnähe zur Industrie gekennzeichnet.

Grün
In der modernen Medizin spielen rekombinante thera­peutische Proteine und proteinbasierte Impfstoffe eine zunehmend wichtige Rolle. Nach jüngsten Recherchen des Verbandes forschender Arzneimittelhersteller sind in Deutschland 215 Biopharmazeutika zugelassen, die gentechnisch hergestellt werden. Diese rekombinanten Medikamente machen etwa 21 Prozent des Arznei­­mittelumsatzes in Deutschland aus. In der klinischen Entwicklung befinden sich 587 biopharmazeutische Präparate.

Traditionell werden diese Substanzen mit Hilfe von Bakterien oder Säugetierzellen hergestellt. Am Fraun­­hofer IME werden Pflanzen und pflanzliche Zell­kul­turen als alternative Produktionsplattformen entwickelt, um dem weltweit wachsenden Bedarf an be­­zahlbaren rekombinanten Proteinen gerecht zu werden. Die Wis­­sen­­­­schaftler am Fraunhofer IME gehören in Europa zu den Pionieren in der Forschung an „Plant-­­made Pharmaceuticals“. Die Molekularbiologen ver­wan­­deln Pflanzen in Protein-Fabriken, indem sie be­­stimmte Gene einschleusen, die dafür sorgen, dass die Zellen die gewünschten Proteine herstellen – einfach, schnell und sicher. Tabakpflanzen eignen sich besonders gut als Biofabrik, da sie leicht gentechnisch verändert werden können und viel Biomasse produzieren. Im Zuge des EU-Projektes „Pharma-Planta“ wurde in Tabak­blättern ein neutralisierender Antikörper produziert, der vor einer Infektion mit dem Aids-Erreger HIV schützt. Er bindet ein bestimmtes virales Eiweiß an die Oberfläche des Virus, so dass der Erreger nicht mehr an die Immunzellen andocken kann. Insgesamt 800 Kilogramm Pflanzen­­material wurden aus dem institutseigenen Gewächs­haus verarbeitet, um den neuen Inhaltsstoff nach den Richt­linien der Euro­pean Medicines Agency zu gewinnen und für eine klinische Prü­fung bereitzustellen. Die nachfolgende klinische Studie der Phase I, die unter der Leitung der Projekt­part­­ner an der St. George’s Medical School in London und am University of Surrey Clinical Re­­search Centre durchgeführt wurde, bestätigte die Ver­­träglichkeit und Sicher­­heit des in Pflanzen produzierten Antikörpers, welcher nun im Rahmen des ERC-Projektes in einer Phase II Studie auf seine Virus­­neutralisation im Menschen getestet wird.

Gelb
Pionierarbeit anderer Art leisten die Kollegen am Fraunhofer IME Standort in Gießen im Verbund mit Forschern der Justus-Liebig-Universität und der Tech­nischen Hochschule Mittelhessen am LOEWE Zentrum für Insektenbiotechnologie & Bioressourcen. Insekten repräsentieren mit über einer Million be­kannter Arten im Hinblick auf die Biodiversität die erfolgreichste Organismengruppe, welche die Evolu­tion hervorgebracht hat. Um ihre ebenso beeindruckende biologische Vielfalt auf molekularer Ebene für die Rote, die Grüne und die Weiße Biotechnologie zu nutzen, haben sich die Wissenschaftler unter Leitung von Prof. Dr. Andreas Vilcinskas ganz dieser Orga­nis­­mengruppe verschrieben. Im Fokus der For­schun­gen für die Rote Biotechnologie steht zum Beispiel die Entwicklung neuer Antibiotika, die auch gegen solche Erreger wirken, die gegen die bisher gebräuchlichen Antibiotika resistent sind. Die weltweit zunehmenden Resistenzen machen neue Antibiotika dringend not­­wen­­dig, möglichst solche mit einem anderen Angriffs­punkt zur Ausschaltung der Krankheitserreger. In den Larven der Großen Wachsmotte entdeckten Vilcinskas und Kollegen ein neues Eiweiß, das Virulenzfaktoren von Bakterien der Gattungen Clostridium, Pseudo­monas und Vibrio inhibiert. Struktur und Funktion dieses Pro­teins waren bisher unbekannt und bieten ein vielver­spre­chendes Potenzial für die Entwicklung neuer Antibiotika.

Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der grünen Bio­­technologie sehen die Wissenschaftler zum Beispiel für aus Blattwanzen und Fliegen stammende Peptide, die sich als nützlich für die Bekämpfung von Pilzen er­wiesen; Pilzerkrankungen verursachen weltweit katas­­trophale Ernteverluste bei den wichtigen Kultur­­pflan­­zen. Nicht nur die Insekten selbst, auch die mit ihnen asso­­ziierten Mikroorganismen stellen eine wert­­­­volle, bis­­her de facto nicht genutzte Ressource für neu­­­­artige Wirk­­stoffe dar und sind Teil der Forschung.



Weiß
Aufgrund der stetig wachsenden Weltbevölkerung und der zuneh­men­de Industrialisierung und Roh­­­­­­stoffverknappung ist der Bedarf an Energie und chemischen Grund­stoffen kontinuierlich gewachsen. Die stoffliche Ver­wen­dung von industriellen Abgasen, welche in großen Mengen und günstig verfügbar sind, bietet eine aussichtsreiche Roh­stoff­basis für die Her­­stellung großer Mengen an Kraftstoffen sowie an che­mischen Basis­stoffen. Aktuell stellen sich die Wissen­schaftler der Abteilung „Industrielle Bio­tech­­nologie“ daher der Auf­­gabe, sogenanntes Syn(these)gas, eine Mischung aus Kohlen­­monoxid, Wasserstoff und Kohlen­­dioxid, als Ausgangs­substanz für die mikrobielle Fermen­­tation und Konversion nutzbar zu machen. Sie bedienen sich hierzu ausgewählter gentechnisch veränderter, stäbchen­­förmiger Clostridien-Bakterien, die unter Luft­­­­­ab­schluss Synthesegas als Energie- und Koh­­len­stoff­quelle nutzen können und in wertvolle chemische Bau­­steine wie Isopren und Hexanol umsetzen. In weiteren Projekten erforschen die Wissenschaftler alternative Quellen für Syngas. Die direkte Umsetzung von Bio­­masse in Syngas ermöglicht einerseits die kosten­güns­­tige und vollständige Nutzung der Bio­­masse sowie andererseits die effiziente stoffliche Um­­setzung zu einer Reihe von attraktiven Biochemi­­kalien und Bio­kraft­­stoffen sowie von Jetfuels durch die Syngas-Fermentation.