Zielgerichtete Biosynthese pharmazeutisch relevanter Triterpenoide

Triterpenoide sind mit mehreren tausend bekannten Verbindungen eine der größten Gruppen von Sekundärmetaboliten im Pflanzenreich. Dabei handelt es sich um Naturstoffe, die von der Pflanze nicht für den primären Stoffwechsel während des Wachstums, sondern für spezielle Aufgaben wie die Abwehr von Schädlingen oder das Anlocken von Bestäubern gebildet werden. Aus sechs Isopreneinheiten entstehen während der Biosynthese über 100 verschiedene Triterpengerüste, die durch weitere Modifikationen zu dieser enormen Strukturvielfalt führen. Von besonderem Interesse sind die zyklischen Triterpenoide, die sehr vielfältige bioaktive Funktionen aufweisen. Ihr Potenzial umfasst antimikrobielle, antioxidative, antikarzinogene und antiallergische Wirkungen, was sie für landwirtschaftliche und pharmazeutische Anwendungen attraktiv macht.

Die Gewinnung der Triterpenoide aus den produzierenden Pflanzen ist mit großen Herausforderungen verbunden: Problematisch ist, dass diese Stoffe in Pflanzen oft nur in geringen Konzentrationen vorkommen. Zudem variieren Zusammensetzung und Menge in Abhängigkeit von Umweltbedingungen wie Licht, Temperatur, Schädlingsbefall oder Bodenbeschaffenheit. Darüber hinaus ist die Isolierung aus pflanzlicher Biomasse häufig mit einem hohen Energie- und Ressourcenverbrauch verbunden, was einer ökonomisch und ökologisch sinnvollen Nutzung entgegensteht. Die chemische Synthese aus petrochemischen Rohstoffen wiederum kämpft mit der enormen Komplexität der Naturprodukte. Zudem entstehen eine Vielzahl unerwünschter Nebenprodukte, die eine Isolierung erschweren. Alternative, nachhaltige Produktions- und Aufreinigungssysteme sind im Sinne der Bioökonomie gefragt. Wir setzten seit vielen Jahren auf die Biosynthese der Triterpenoide in Hefe.

Projektziele und -struktur

Das Projekt ist Teil des Förderprogramms „Maßgeschneiderte biobasierte Inhaltsstoffe für eine wettbewerbsfähige Bioökonomie“ des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) undBestandteil der Nationalen Forschungsstrategie Bioökonomie 2030.
Der FuE-Verbund wird vom Fraunhofer IME koordiniert, weitere Partner sind die Technische Universität München (TUM) sowie die KMUs Phytowelt GreenTechnologies GmbH und VivaCell Biotechnology GmbH.

Forschungshintergrund

Triterpenoide sind aufgrund ihrer vielfältigen biologischen Aktivitäten, wie entzündungshemmenden und antitumoralen Eigenschaften, von großem wirtschaftlichem Interesse. Das Hauptziel des Projekts »Perspective« ist die Entwicklung pharmakologisch relevanter Triterpenoide durch gezielte biologische Synthese. Diese sollte mithilfe von Biokatalyse und Fermentation auf einer Hefebasisplattform erfolgen. Das Projekt zielte darauf ab, die Struktur-Wirkungs-Beziehungen dieser bioaktiven Substanzen zu nutzen, um Anwendungen in den Bereichen Pharmazie, Kosmetik und Agrarwirtschaft zu ermöglichen.

Fortschritte und Ergebnisse

Im Rahmen des Projekts »Perspective« erzielten wir große Fortschritte hinsichtlich der Anwendung von Triterpenoiden und des Verständnisses ihrer Wirkungen. In den Bereichen Identifikation und Expression von Genen entwickelten wir eine Plattform zur Oxidation und Glykosylierung der Triterpenoiden. Die Optimierung der Hefestämme ermöglichte die Herstellung relevanter Mengen an oxidierten Triterpenen im Gramm-Maßstab. Wir zeigten die Machbarkeit der Glykosylierung sowohl in vivo als auch in vitro, diese lässt sich nun skalieren. Für das Down-Stream Processing optimierten wir die chromatographische Trennung durch fraktionierte Extraktion der Triterpenoide, sodass wir sie mit einer Reinheit von über 98 Prozent (NMR geprüft) isolieren konnten.
In biologischen Tests zeigten die isolierten Triterpenoide signifikante Aktivitäten in pharmakologisch relevanten Versuchen, wie Entzündungsassays. Zudem bewiesen sie einen positiven Einfluss auf den Verdauungstrakt in Modellsystemen.
Wir erstellten eine Prioritätenliste, die eine Rangfolge von Triterpenoiden festlegt, die für weitere Diversifikationsstrategien durch enzymatische Katalyse in Hefe vorgesehen ist. In einer metabolischen Analyse identifizierten wir durch ¹³C-Markierung und anschließende Tests weitere Optionen zur weiteren Optimierung der Hefestämme sowie zur Modifikation der Fermentationsbedingungen, um die Triterpenoidproduktion zu erhöhen. Aktuell führen wir Experimente durch, um die Verstoffwechselung applizierter Triterpenoide in einem Zellmodell zu verfolgen.

Ausblick und zukünftige Schritte

Die in diesem Projekt entwickelten Triterpenoide sollen nun in Kooperation mit industriellen Partnern in verschiedenen Anwendungsbereichen, wie Tierfutter, Bioaktiva, Kosmetik und Pharmazie, auf ihre Anwendbarkeit evaluiertwerden, um eine zeitnahe Integration in Zulassungsprozesse zu ermöglichen.

Fazit

Das Projekt hat bedeutende wissenschaftliche Fortschritte erzielt und gleichzeitig auch eine nachhaltige Wertschöpfung geschaffen, die im Einklang mit der nationalen Forschungsstrategie Bioökonomie 2030, der deutschen Nachhaltigkeitsstrategie und den Zielen der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung (UN SDGs) steht. Die Ergebnisse zeigen vielversprechende Perspektiven für die industrielle Nutzung von Triterpenoiden in der Zukunft auf.