Prof. Dr. Till Opatz: Von der Natur lernen – Neue Werk- und Wirkstoffe aus natürlichen Quellen

Wissenschaftler der Universität Mainz lassen sich von Naturstoffen inspirieren und erforschen neue Substanzen und nachhaltige Produktionsverfahren.

Die be­­lebte Na­­tur stellt eine geradezu uner­­schöpfliche Quelle der Ins­­pi­­ration für organische Chemiker dar. Jahrmilliarden der Evolution haben komplexe Moleküle hervorgebracht, die oft eine wohl­­definierte Rolle in dem sie produzierenden Organis­­mus spielen, indem sie ihren Produzenten etwa vor Infektionen oder vor Fressfeinden schützen. Naturstoffe und von ihnen abgeleitete oder inspirierte Verbindungen haben sich nicht nur in der Pharmaindustrie als überdurchschnittlich erfolgreich erwiesen, sie finden auch Anwendung im Pflanzenschutz oder für die Haltbarmachung von Lebensmitteln.

Im Rahmen des Naturstoffzentrums Rheinland-Pfalz werden an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz bislang unbekannte Naturstoffe in ihrer detaillierten molekularen Struktur mit modernen spektroskopischen Verfahren aufgeklärt. Diese Informationen können den Ausgangspunkt für die chemische Synthese darstellen, da die aus der Natur isolierten Subs­tanzen oftmals nicht in ausreichender Menge zu gewinnen sind. In Kombination mit Kenntnissen über die biologische Wirkung der Substanzen seitens der Kooperationspartner wie etwa dem Institut für Biotechnologie und Wirkstoff-Forschung (IBWF) können erste sogenannte Struktur-Wirkungs-Beziehungen auf­­gestellt werden, die manchmal schon die Identifizierung für die Wirksamkeit essenzieller Strukturelemente erlauben. Zudem lässt die Molekülstruktur oft Rückschlüsse darauf zu, wie der produzierende Organismus die Substanz erzeugt hat.

Neben der Synthese des eigentlichen Naturstoffes werden auch verwandte Verbindungen auf chemischem Wege erzeugt, die wiederum auf ihre biologische Wirksamkeit getestet werden. Gleichzeitig müssen die Synthesechemiker neue Ver­fahren entwickeln, um die oftmals komplizierten Molekülarchitek­turen der Naturstoffe nachbauen zu können, so dass die Natur gleich in mehrfacher Hinsicht als Quelle der Inspiration dient.

Das Themengebiet der Wirkstoffsuche in und mit der Natur verbindet den Bereich der Chemie mit der Pharmazie, der Medizin und der Biologie und ist von hoher Attraktivität für die Studenten. Es konnten schon zahlreiche neue Wirkprin­zipien er­­arbeitet werden, etwa im Hinblick auf entzündungshemmende Naturstoffe aus Pilzen. Im Bereich Pflanzenschutz wurden be­­reits mehrere Patente gemeinsam mit der Industrie angemeldet.

Einen anderen interessanten Aspekt der Naturstoffe brachte die von der Carl-Zeiss-Stiftung geförderte Initiative Chemische Bio­­medizin am Institut für Organische Chemie und der Uni­­ver­si­­täts­­medizin der Johannes Gutenberg-Universität (Prof. Roland Stauber) ein, die in einem ähnlichen Themenbereich angesiedelt ist. Hier­bei ergaben sich aus der Suche nach neuen Wirk­­stoffen aus der Natur innovative Ansätze zur alternativen Nut­­zung natür­licher Rohstoffe, die zur Synthese pharmazeutischer Wirk­stoffe, aber auch für die ressourcen­­schonende Herstellung von Werk- und Effekt­­stoffen dienen können. In Kooperation mit Forschern aus den USA und Südafrika werden diese Ansätze nun in Mainz bearbeitet.

Während die traditionelle Synthesechemie fast ausschließlich fossile Kohlenstoffquellen wie Erdöl, Erdgas oder Steinkohle nutzt, bietet Holz als nachwach­­sender Rohstoff ein bislang kaum genutztes Potenzial. Eine wichtige Gruppe von Verbin­dungen, die sogenannten Aromaten, werden heute in der Regel auf petrochemischem Wege aus Erdöl erzeugt, sind aber in einer abgewandelten Form auch im Holz von Nadel- und Laubbäumen enthalten. Erdölpro­dukte können zwar in diese Form umgewandelt werden, dies erfordert aber die recht aufwändige erneute Einführung von Strukturelementen, die im Laufe von Jahrmillionen aus der früheren Biomasse verschwunden sind. Genau diese be­­sondere, den Holzinhaltsstoffen ähnliche Form ist es jedoch, die die strukturelle Grundlage vieler Naturstoffe darstellt.

So gelang den Mainzer Forschern um Professor Till Opatz in Zusammenarbeit mit einem Forscherteam um Professor A. J. Arduengo III, von der Universität Tuscaloosa, Alabama (USA), im vergangenen Jahr, die erste Synthese des potenziell gegen Tumorzellen wirksamen Naturstoffes Ilicifolin B. Anders als sonst üblich, wurde bei der Synthese nicht mehr auf die fossilen Ausgangsmaterialien zurückgegriffen, sondern das Molekülgerüst dieses Naturstoffes aus einem südamerikanischen Strauch wurde ausschließlich unter Verwendung holzbasierter und damit nachwachsender Rohstoffe aufgebaut. Gleiches gelang für ein mit dem Morphin verwandtes Schmerzmittel, das sonst über Opium aus dem Schlafmohn gewonnen wird.

Dieser neue Ansatz, der in Anlehnung an den Begriff Petrochemie als „Xylochemie“ (greich. xylos = Holz) bezeichnet werden kann, ermöglicht aber noch weitere Verfahren. Jüngst konnten, abermals in enger Zusammenarbeit zwischen Mainz und Tuscaloosa, lichtechte Textilfarbstoffe sowie Kunststoffe erzeugt werden, die auf xylochemischem Wege und ohne Verwendung fossiler Ressourcen erhalten wurden. Xylochemische Ansätze schlagen somit eine Brücke aus der Naturstoffchemie in den Be­­reich der Materialwissenschaften und eröffnen zahlreiche weitere Anwendungsfelder. So könnte etwa die großtechnische Produktion zentraler Komponenten von Autolacken ein lohnendes nächstes Ziel sein, ebenso wie die Herstellung von Stabilisatoren, Weichmachern oder optischen Auf­hellern. Damit könnten neue Möglichkeiten zur umweltschonenden und CO2-neutralen Produktion erschlossen werden, die für die heimische Wirtschaft attraktiv sind.

Prof. Dr. Till Opatz
Till Opatz (Jahrgang 1973) hat in Frankfurt/M. Chemie studiert und 2001 an der Johannes Gutenberg-Universität promoviert. Nach einem Auslandsaufenthalt in den Niederlanden fertigte er seine Habilitation in Mainz an und wechselte 2007 zunächst auf eine Professur nach Hamburg, bevor er 2010 wieder nach Mainz zurückkehrte. Seitdem leitet er das Naturstoffzentrum Rheinland-Pfalz.