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AIDS-Impfstoffproduktion in Algen

11.02.2016

Pflanzen und Mikroorganismen werden vielfältig zur Medikamentenproduktion genutzt. Die Produktion solcher Biopharmazeutika in Pflanzen nennt man auch „Molecular Pharming“. Sie ist ein stetig wachsendes Feld der Pflanzenbiotechnologie. Hauptorganismen sind vor allem Hefe und Nutzpflanzen, wie Mais und Kartoffel – Pflanzen mit einem hohen Pflege- und Platzbedarf. Forscher um Prof. Ralph Bock am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam wollen mit Hilfe von Algen ein ressourcenschonenderes System für die Herstellung von Medikamenten und Impfstoffen verfügbar machen. Die Praxistauglichkeit untersuchten sie an einem potentiellen AIDS-Impfstoff.

Die Produktion von Arzneimitteln in Pflanzen und Mikroorganismen ist nicht neu. Bereits 1982 gelang es, durch den Einsatz gentechnischer Methoden, Bakterien so zu verändern, dass sie das für Diabetiker notwendige Insulin produzieren können. Dieses Medikament ist zu 100% kompatibel für den Patienten und die Herstellung erspart das Töten von mehreren Milliarden Schweinen und Rindern im Jahr.


Chlamydomonas reinhardtii - eine einzellige Grünalge: Test auf erfolgreiche Integration fremder Geninformation für die Herstellung eines potentiellen AIDS-Impfstoffs.

Rouhollah Barahimipour

Auch Pflanzen werden als Produktionsstätten genutzt. So vor allem Tabak, Mais, Reis, Soja, Raps und Kartoffeln. Außer Tabak dienen die genannten Pflanzen aber gleichzeitig auch Mensch und Tier als Nahrungs- bzw. Lebensmittel, was zu einem Nutzungskonflikt führen könnte. Darüber hinaus sind diese Pflanzen häufig sehr anspruchsvoll, was Raumbedarf, Anzuchtbedingungen und Pflege betrifft.

Algen dagegen bieten diesbezüglich Vorteile: Sie sind anspruchslos, sehr effizient in ihrer Ressourcennutzung und wachsen schnell. Algen bieten außerdem die Möglichkeit direkt verzehrt zu werden. Das würde eine kostenintensive Aufreinigung der Produkte unnötig machen, so dass eine Einsparung von bis zu 60% der Produktionskosten möglich wäre. In der Zukunft könnte so Impfstoffe hergestellt werden, deren Verabreichung schmerzfrei durch orale Aufnahme möglich ist.

Unter Forschern beliebt ist die einzellige Alge „Chlamydomonas reinhardtii“, eine Süßwasser Grünalge, die weltweit verbreitet ist. Sie ist ein Modellorganismus der Grundlagenforschung, weshalb sie bestens charakterisiert ist. Den Forschern stehen verschiedenste Werkzeuge für ihre Arbeit zur Verfügung, auch gentechnische Methoden. Aber warum werden Algen nicht schon längst umfangreich in der Biotechnologiebranche genutzt?

Algen sind sehr vielfältig und die Anwendung der heute bekannten Techniken ist oft schwierig. Viele Werkzeuge, die für die einzellige Alge Chlamydomonas Verwendung finden, können bisher nicht in anderen Algen genutzt werden, welche z.B. mehr Biomasse produzieren und somit effizienter nutzbar wären.

Außerdem ist die gentechnische Veränderung von Chlamydomonas nicht ganz unkompliziert. Die Alge nutzt die neue Geninformation meist nicht im gewünschten Umfang und verliert über dies die Information über die Zeit sogar wieder. Prof. Ralph Bock und sein Forschungsteam haben es sich nun zur Aufgabe gemacht Algenstämme zu identifizieren, die besser arbeiten, um sie wettbewerbsfähig mit anderen biotechnologischen Plattformen zu machen.

Die Forscher haben zunächst die Geninformation, die dazu genutzt werden könnte Antikörper für das HI-Virus in Algen produzieren zu lassen, optimiert, so dass sie von den Algen „verstanden“ und in das entsprechende Protein übersetzt werden kann. Hierfür wurde die Sequenz des Gens so verändert, dass sie Eigenschaften des Algenerbguts aufweist.

„Außerdem haben wir einen Algenstamm gezüchtet, der die fremden Gene besser ablesen kann“, erklärt Juliane Neupert, Wissenschaftlerin in Golm. Das fremde, optimierte Gen, das als potentieller Bestandteil für einen AIDS-Impfstoff gilt, wurde daraufhin in den neuen Algenstamm eingefügt, um diese Kombination auf ihre Praxistauglichkeit zu prüfen.

Weltweit wurden bisher 78 Mio. Menschen mit HIV infiziert, ein Virus an dem bereits 39 Mio. Menschen gestorben sind. Eine jährliche Neuinfektion von ca. 2 Mio. Menschen, überwiegend in den Entwicklungsländern, unterstreicht die Notwendigkeit einer Impfstoffentwicklung. In der mehr als 30-jährigen Forschung konnte nun unter anderem ein Protein identifiziert werden, das Bestandteil eines Impfstoffes sein könnte – das p24-Protein.

„Wir konnten eine optimierte p24-Genvariante herstellen, die wir mit Hilfe gentechnischer Methoden in den verbesserten Chlamydomonas-Stamm eingebaut haben“, erklärt Rouhollah Barahimipour, Erstautor der Studie. „Die Alge war nun tatsächlich in der Lage dieses verbesserte Gen abzulesen und das p24-Protein anzureichern“, bestätigt er.

Die Golmer Forscher konnten die Ursachen für die bisherigen Probleme bei der Einschleusung fremder Gene in Chlamydomonas aufklären. Zusätzlich belegen sie, dass ihre neue Strategie effizient ist und zu einem 100-prozentigen Erfolg führt. Ihre Arbeit zeigt, dass das System Alge eine Zukunft in der Biotechnologie hat. Sobald ein AIDS-Impfstoff gefunden ist, besteht nun die Möglichkeit diesen in der einzelligen Alge schnell und effizient zu produzieren. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Plant Molecular Biology.

Kontakt:
Prof. Ralph Bock
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie
Tel. 0331/567 8700
Rbock@mpimp-golm.mpg.de

Dr. Ulrike Glaubitz
Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie
Tel. 0331/567 8275
glaubitz@mpimp-golm.mpg.de
http://www.mpimp-golm.mpg.de

Originalveröffentlichung:
Rouhollah Barahimipour, Juliane Neupert und Ralph Bock
Efficient expression of nuclear transgenes in the green alga Chlamydomonas: synthesis of an HIV antigen and development of a new selectable marker
Plant Molecular Biology, 8.01.2016, doi: 10.1007/s11103-015-0425-8

Weitere Informationen:

http://www.mpimp-golm.mpg.de/2044695/HIV-Impfstoff_in_Algen

Dipl. Ing. agr. Ursula Ross-Stitt | Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie

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