Bodenschätze im Mikroformat

Auch wenn es ein aufwendiger Weg ist, hat er sich doch schon oft genug gelohnt: „Die potentesten Arzneimittel, die wir kennen, basieren auf Naturstoffen“, berichtet der Biologe Fischer. „Wir verwenden sie zum Beispiel als Antibiotika, Krebsmedikament oder als Antiparasitika, beispielsweise zur Bekämpfung von Malaria.“ Auch die Klassiker kommen aus der Pflanzenwelt – Aspirin aus der Weide und das Digitalis-Herzmittel aus dem Fingerhut. Es gibt Hinweise, dass beide Wirkstoffe schon seit Jahrtausenden von Menschen angewendet werden. Erst knapp 100 Jahre alt ist dagegen die revolutionäre Entdeckung von Alexander Fleming: ein Schimmelpilz, der das Wachstum von Bakterien verhindern kann – das Antibiotikum Penicillin. Fleming hatte den Pilz zufällig in einer Petrischale gefunden, in der er eine Bakterienkultur gezüchtet hatte.

Inzwischen gibt es auch andere Antibiotika, sie alle stammen von Substanzen aus der Natur ab. Entstanden sind diese Stoffe im Laufe eines Jahrmillionen langen Wettkampfes von Mikroorganismen um Nahrung und Lebensraum. Fischer erklärt: „Diese Wirkstoffe wirken so effektiv und zielgenau, weil die Evolution sie immer weiterentwickelt hat.“

Besonderes Interesse an Bodenbakterien und Pilzen

Am HZI wurden im Jahr 2008 erstmals Bodenbakterien beschrieben, die einen Stoff produzieren, der sich als hochwirksam gegen Malariaerreger und MRSA-Krankenhauskeime erwies – das Chlorotonil. Inzwischen sind davon 25 Derivate produziert. Am besten und im großen Maßstab funktioniere die Herstellung im natürlichen Prozess mittels optimierter Fermentation, heißt es am HZI. Und weiter: In ersten Experimenten an Mäusen wurde hohe Wirksamkeit bei gleichzeitigem Ausbleiben von Resistenzbildungen beobachtet. In Folgestudien soll es nun um die genauere Erforschung des pharmazeutischen Potentials und die weitere Optimierung für den Einsatz beim Menschen gehen.

Zu den Bodenbakterien gehört auch die Gruppe der Myxobakterien, die die Wissenschaftler derzeit besonders im Blick haben. „Diese Mikroorganismen stellen Substanzen mit ungewöhnlichen Strukturen her, die sonst in der Natur nicht zu finden sind“, sagt Andreas Fischer. Damit sind sie eine vielversprechende Quelle für neue Wirkprinzipien.“ Aus solchen Bakterien wurden bereits hochwirksame Stoffe wie das Antibiotikum Sorangicin oder das Krebstherapeutikum Ixabepilon gewonnen, ein am HZI in Zusammenarbeit mit dem Pharmazieunternehmen Bristol-Myers Squibb entwickeltes synthetisches Derivat des Epothilons zur Behandlung chemotherapieresistenter Tumore.

Neben den Myxobakterien besteht am HZI großes Interesse an Pilzen. Für das Zusammentragen und Untersuchen der Proben ist am HZI die Abteilung „Mikrobielle Wirkstoffe“ unter der Leitung von Professor Marc Stadler zuständig.

„Wir arbeiten mit Forschungseinrichtungen und Universitäten unter anderem auf den Philippinen, in Thailand, Kenia, Kamerun, Kolumbien sowie Panama zusammen“, berichtet Stadler. „Die meisten neuen Arten von Pilzen, die wir momentan finden und beschreiben“, so Stadler, „kommen aus dem Dung pflanzenfressender Tiere oder es sind Endophyten, das heißt Pilze, die als Symbionten im Innern der Vegetationskörper von Pflanze leben. Dazu kommen Mycorrizapilze sowie Pilze, die mit Fadenwürmern, Spinnen oder Insekten vergesellschaftet sind.“

Aus Mikrogramm genügend Mengen produzieren

Miriam Große ist Bioverfahrens-Technikerin und leitet die Produktion im Bereich „Mikrobielle Wirkstoffe“ beim HZI. „Wir schließen die Lücke zwischen der Entdeckung einer interessanten Substanz und der Entwicklung eines möglichen Arzneimittels“, erklärt sie, während sie zu den Laboren des Science Campus im Süden von Braunschweig führt.

Kulturen von Pilzen und Bakterien im Labormaßstab produzieren Substanzen in Mengen von bisweilen nur Mikrogramm, das sind in Reinform dargestellt kaum sichtbare Millionstel Gramm – viel zu wenig, um damit forschen zu können. „Dafür werden Gramm-Mengen benötigt, manchmal sogar im dreistelligen Bereich. Das zu produzieren, ist schon sehr, sehr viel“, sagt Miriam Große. Ihr Team entwickelt Verfahren und Produktionsschritte, optimiert diese wieder und wieder, um aus den Mikrogramm einer Kultur im Erlenmeyer-Kolben greifbare Gramm-Mengen für die weiteren Prozesse zu gewinnen.

Bevor es in die ersten Labore geht, erzählt Große von ihrer letzten Expedition in Kolumbien. Ausländische Forschende könnten dort nicht einfach losziehen und einsammeln, was sie wollen, erklärt sie. Die Forschung geschehe immer in Kooperation mit den Instituten vor Ort und gemäß dem Nagoya-Protokoll (UN-Abkommen zur Biodiversität). Das habe in Kolumbien gut funktioniert: „Wir haben gemeinsam mit einheimischen Wissenschaftlern im Regenwald nach Pilzen gesucht. Manche dieser Pilze waren nur als schwarze Pünktchen auf einem Blatt zu erkennen, sind mikroskopisch klein, andere waren ein Schleim auf Holz oder lebten im Boden“, erklärt sie. „Abends haben wir das dann alles in unserer Hotel-Lobby in Medellin sortiert.“

Nach dem Sammeln der Proben beginnt Teil zwei der Arbeit im HZI: extrahieren, identifizieren, analysieren. „Neue Wirkstoffe erwarten wir am ehesten in Pilzen, erklärt Miriam Große, „weil diese in großer Konkurrenz zu anderen Mikrolebewesen, wie zum Beispiel Bakterien, im Boden leben“, erklärt sie, „deshalb haben diese Pilze eine ausgeklügelte und hochwirksame Chemie, um sich zu verteidigen. Oft sind das noch vollkommen unbekannte Substanzen.“ Und um genau die geht es – neue Stoffe gleich neue Mechanismen gleich neue Werkzeuge im Kampf gegen Krankheiten.

Solche potenziell nützlichen Pilze gibt es jedoch nicht nur am anderen Ende der Welt. „Kommende Woche fahren zwei Kolleginnen auf die Ostfriesischen Inseln“, sagt Große lächelnd.

Gesammelt wird für die Helmholtz-Forschung immer und überall, mit der Hoffnung, neue Organismen und neue chemische Leitstrukturen zu finden. Doch selbst wenn tatsächlich etwas Neues entdeckt wird, wird nur bei einer von vielleicht 250 Proben daran weiterentwickelt. Denn die wenigsten Isolate zeigen eine vielversprechende pharmazeutische Wirkung. Aber Treffer, vielleicht sogar Volltreffer, gibt es immer wieder.

Miriam Große zeigt etwas: In Erlenmeyer-Kolben gedeihen Bakterien in einer Nährlösung, ein Mechanismus schüttelt die trübe blass-gelbe Flüssigkeit beständig – es sind die Mikroben, die die schon erwähnte Stoffklasse der Chlorotonile produzieren. Das Forschungsteam ist damit beschäftigt, die Verfahren zu verfeinern und das Volumen zu Hektolitern zu vergrößern. Es geht um die Optimierung der Ausbeute des produzierten Wirkstoffes. „Für jeden Organismus entwickeln wir eigene Verfahren – passen die Temperatur und den pH-Wert an, die Sauerstoffzufuhr und die Verfügbarkeit und Zusammensetzung von Nährstoffen“, sagt Große. „Manche Bakterien oder Pilze produzieren beispielsweise bei Hunger oder Stress mehr von dem Stoff, den wir haben wollen.“

Corallopyronin, ein neues Antibiotikum?

Die Labore haben den Sicherheitsstatus S1, eine Gesundheitsgefahr besteht somit nicht, lediglich gewöhnliche Hygienemaßnahmen wie Händewaschen sind einzuhalten; zudem herrscht hier ein leichter Unterdruck.

Ein Wagen wird über den Flur geschoben, Flaschen klappern leise. Proben in versiegelten Petri-Schalen sind in Plastikboxen gestapelt. Es sind Myxo-Stämme, gelbe Beläge, die sich auf dem Nährboden in der Schale ausbreiten wie eine Flechte am Baum. Es riecht nach Gartenerde. „Das ist ganz typisch für dieses Bakterium“, sagt Große, „wenn wir die Fermenter damit beschicken, riecht es im ganzen Flur so.“ Dieser Belag aus Bakterien ist ein weiterer Treffer und Hoffnungsträger des HZI. Auf dem Bildschirm neben einem Analysegerät ist die Konzentration an Corallopyronin als heftiger Ausschlag zu sehen, als ein Peak, mit dem die Labormitarbeiter zufrieden sind. Im Gerät selbst erscheinen die Extrakte der gezüchteten Kulturen in Miniatur-Fläschchen, halb so groß wie ein kleiner Finger, mit silberfarbenem Deckel – der Schatz hinter der Scheibe. „Das ist ein sehr hoffnungsvoller Kandidat für ein neues Antibiotikum“, sagt Große. Die Substanz stamme aus Bodenbakterien, der daraus entwickelte Wirkstoff sei bereits gegen die in den Tropen verbreitete Filariose sowie gegen multiresistente Keime in der vorklinischen Untersuchung.

Schon 1985 war bekannt, dass Corallopyronin, beziehungsweise zumindest ein Extrakt aus diesen Bodenbakterien antibiotisch wirkt. Aber wie es angewendet werden kann, wusste man noch nicht, das ist jetzt Gegenstand weiterer Untersuchungen. Die aktuelle Aufgabe von Miriam Große ist, für weitere Testreihen mehrere Kilogramm davon herzustellen. Eine Mitarbeiterin bringt einen 2-Liter-Glaskolben, den Große vorsichtig übernimmt und ins Licht hält. Am Boden des Glases ist eine Kruste, eine halb harzig, halb kristalline Substanz. Licht lässt die gelb-orange Substanz glitzern. Es ist – mehrfach gereinigtes – Corallopyronin und ungeheuer wertvoll. In Euro ist es nicht zu beziffern, man kann das nicht kaufen. Vermutlich ist es weltweit die einzige Menge dieser Art. Sieht so der Stoff für ein neues, vielleicht sehr wichtiges und wirksames, Medikament aus? Unwahrscheinlich ist das nicht mehr.

Im Technikum des HZI stehen die großen 150 Liter-Bio-Reaktoren. In einem von ihnen fermentiert für 140 Stunden jenes Bakterium, das Corallopyronin produziert. Wenn die Prozesse optimiert sind, können während eines solchen Vorgangs mehrere 100 Milligramm Roh-Wirkstoff pro Liter Nährlösung hergestellt werden. Der gesamte Apparat mit Monitoren, Pumpen und anderen Geräten hat ein Vielfaches der eigentlichen Reaktorgröße. Ventile zischen und knacken, gewiss hundert Meter kaum fingerdicker Rohre und Schläuche umgeben den Bio-Reaktor, das Herzstück. Unzählige Öffnungen führen in den Stahlzylinder. Stecken in ihnen keine Sonden oder Zuleitungen, sind sie druckdicht verschlossen. Durch ein Fenster – acht dicke Schrauben halten das Glas im verschweißten Stahl – sieht man eine lebhaft bewegte, orangefarbene Flüssigkeit. 30 Grad Celsius warm; im geschlossenen Kreislauf, steril. In einem anderen Labor stehen Rotationsverdampfer, in warmen Wasserbädern drehen sich Glaskolben, hier werden Extrakte aus verschiedenen Pilzkulturen schonend konzentriert. In den Glaskolben leuchtet eine zittrige, goldgelbe Flüssigkeit. Große nimmt ein paar verschlossene Petri-Schalen in die Hand. Auf den Nährböden wuchern flauschig aussehende, schneeweiße Belege zart und fein. In anderen Schalen befinden sich kleine geleeartige Würfelchen, auf denen weiße runde Flecken gedeihen: Pilzkulturen.

In einem Klimaschrank stehen Glaskolben, darin schmierige, bröckelige Stücke mit Flaum, der an Blauschimmelkäse erinnert. Eine weiße Masse mit grünen Stippen sieht wie Frischkäse aus. In einem anderen Glas sind lebendige, langsam ihr Umgebungsmedium verschlingende, schwarze Flecken mit giftgelben Rand zu sehen. Wo diese Pilze herkommen? Große schaut nach. „Aus Kenia und aus Deutschland.“ In den Kenia-Pilzen fanden sich Strukturen ähnlich dem Antibiotikum Pleuromutilin. In einem Nebenraum sind Mitarbeitende damit beschäftigt, Stoffwechselprodukte aus dem Substrat, den Myzelien der Pilzkulturen, zu extrahieren. Später werden sie im Massenspektrometer nachsehen, was drin ist. „Ich nenne das hier unsere Discovery-Pipeline“, sagt Große. Ein Tropfen Extrakt fällt in einen Glaskolben.

Und gewiss wird irgendwann wieder ein Tag kommen, an dem die Leute vor dem Bildschirm kribbelig werden. Dann dauert es vielleicht nicht mehr lange und ein neuer Wirkstoff glitzert am Boden einer Flasche – die ersehnte Rettung für schwerkranke Menschen, Millionen Mal wertvoller als Geld oder Gold. //