Viele häufig verwendete Medikamente stammen noch aus Pflanzen. Scopolamin wird zur Behandlung von Reisekrankheit und postoperativer Übelkeit aus Pflanzen der Familie der Nachtschattengewächse hergestellt. Digoxin, ein Herzmedikament, stammt aus der Fingerhutpflanze. Codein und andere Opioid-Schmerzmittel werden aus Schlafmohn gewonnen.
Aber Pflanzen, aus denen Medikamente hergestellt werden, sind manchmal gefährdet oder teuer. Eine schlechte Vegetationsperiode oder geopolitische Instabilität in der Region, in der eine Pflanze kultiviert wird, kann zu einem Rückgang der Medikamentenversorgung führen.
Jetzt hat ein Stanford-Wissenschaftler herausgefunden, wie die molekulare „Fabrik“ in einer gefährdeten Pflanze isoliert und in einer anderen, weiter verbreiteten Pflanze zusammengebaut werden kann.
„Das war eine Herausforderung, weil Anlagen ziemlich kompliziert sind“, sagt Elizabeth Sattely, Professorin für Chemieingenieurwesen. „Es ist ziemlich schwierig, mit ihnen zu arbeiten. Ihre Genome sind sehr kompliziert. “
Sattely und ihr Team arbeiteten mit einer Himalaya-Pflanze namens Mayapple, die Vorläufer eines häufig verwendeten Chemotherapeutikums namens Etoposid produziert. Etoposid wird zur Behandlung einer Vielzahl von Krebsarten angewendet, darunter Lymphom, Lungenkrebs, Hodenkrebs und einige Arten von Leukämie und Hirnkrebs. Es steht auf der Liste der lebenswichtigen Medikamente der Weltgesundheitsorganisation - Medikamente, die für das Funktionieren des medizinischen Systems als entscheidend angesehen werden. Der Apfel wächst jedoch nur langsam, und das Angebot ist seit Jahren aufgrund der hohen Nachfrage rückläufig.
Satte begriffen, dass Mayapples Chemiemontagelinie in Betrieb geht, wenn seine Blätter verletzt sind. Sobald diese Verletzung auftritt, beginnt die Pflanze eine Reihe von Proteinen zu produzieren. Einige dieser Proteine produzieren schließlich den Vorläufer von Etoposid. Aber die große Frage war, welche Proteine? Es waren mehr als 30 anwesend, aber nicht alle waren an der Herstellung des Vorläufers beteiligt.
"Was hier entscheidend war, war die Einschränkung unserer Kandidatenliste", sagt Sattely.
Sie und ihr Team probierten verschiedene Proteinkombinationen aus, bis sie herausfanden, welche 10 das Fließband bildeten. Dann setzen sie die Gene, die diese 10 Proteine hergestellt haben, in eine andere Pflanze. Die Pflanze, für die sie sich entschieden, war Nicotiana benthamiana, eine wilde Verwandte des Tabaks. Sie wurde ausgewählt, weil sie weit verbreitet ist und sich leicht in einem Labor anbauen lässt. Die Nicotiana- Pflanze begann wie der Apfel mit der Produktion des Etoposid-Vorläufers. Sattely und ihre Doktorandin Warren Lau veröffentlichten ihre Entdeckung in der Zeitschrift Science .
"Dies ist ein sehr schöner Proof of Concept", sagt Sattely.
Ich hoffe sehr, dass Mikroben wie Hefe letztendlich die gleichen Moleküle produzieren und Pflanzen gänzlich auslassen. Wenn sie Erfolg hat, wird sie sich einer Reihe von Wissenschaftlern anschließen, die herausgefunden haben, wie sie aus Mikroorganismen Fabriken zur Herstellung von Arzneimitteln machen können. Erst in dieser Woche gaben deutsche Wissenschaftler bekannt, dass sie gentechnisch verändertes Hefe-THC hergestellt haben, die Verbindung in Marihuana, die den "hohen" Wert erzeugt und bei der Behandlung von Nebenwirkungen von Chemotherapie und anderen Krankheiten helfen kann. Im vergangenen Monat veröffentlichten Stanford-Forscher Ergebnisse, die zeigen, wie Hefe Hydrocodon produziert, ein Opioid-Schmerzmittel, das Morphin ähnelt. Der Durchbruch hat das Potenzial, solche Medikamente billiger und zugänglicher zu machen. Im Jahr 2013 haben Chemieingenieure in Berkeley gentechnisch veränderte Hefen zur Herstellung von Malariamedikamenten überredet.
Die Herstellung von Arzneimitteln mit Hefe ist noch einfacher und kostengünstiger als die Verwendung herkömmlicher Laborpflanzen. Die Verbrauchsmaterialien sind unglaublich billig und einfach herzustellen, benötigen wenig Platz oder besondere Sorgfalt und können endlos manipuliert werden.
"Das Versprechen auf dem Gebiet der synthetischen Biologie ist, dass man Zellen dazu bringen kann, alles zu machen oder zu tun, was man will", sagt Sattely.
Aber es gibt noch viel zu lernen von Pflanzen und den Chemikalien, die sie produzieren. Wenn die molekularen Produktionswege von Pflanzen besser verstanden werden, können Wissenschaftler lernen, sie zu manipulieren und möglicherweise bessere Medikamente mit weniger Nebenwirkungen zu produzieren.
"Pflanzen sind einige der besten molekularen Fabriken in der Natur", sagt Sattely. "Wir müssen viel über diese Moleküle lernen, die für die menschliche Gesundheit und auch für die Pflanzengesundheit so wichtig sind."
