Zielgerichtete Biosynthese pharmazeutisch relevanter Triterpenoide

Triterpenoide mit mehr als 14.000 bekannten Verbindungen im Pflanzenreich ist eine der größten Gruppe der Sekundärmetabolite. Aus den Isopren Substraten entstehen während der Biosynthese mehr als 100 verschiedene Triterpengerüste, die weitere Modifikationen erfahren und so zu der enormen strukturellen Vielfalt führen.
Von besonderem Interesse sind zyklische Triterpenoide. Für zahlreiche Pflanzenarten ist beschrieben, dass diese Inhaltsstoffe sehr vielseitige bioaktive Funktionen aufweisen. Das Potential umfasst antimikrobielle, antioxidative, antikarzinogene, und antiallergische Wirkungen und macht sie daher attraktiv für landwirtschaftliche und pharmazeutische Anwendungen.

Im Rahmenprogramm »Nationale Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030« hat sich für das Projekt »ASPIRANT« ein Konsortium aus KMUs und Forschungseinrichtungen mit dem Ziel der gerichteten Biosynthese von pharmazeutisch relevanten Triterpenoiden in Hefen, zusammengeschlossen. Der Verbund, koordiniert durch das Fraunhofer IME, kombiniert Fachexpertise aus den Bereichen Chemie, Biologie, Verfahrenstechnik und Pharmazie und verfolgt systemorientiert die gesamte Wertschöpfungskette. Im Fokus stehen dabei unter anderem die Produktion und pharmazeutische Evaluation neuer Substanzen.

Nach einer wissensbasierten Auswahl geeigneter Triterpenoide, erfolgten die Identifizierung der für deren Biosynthese notwendigen Enzyme und das Einbringen in Hefen. Pflanzliche Oxidosqualenzyklasen (OSCs) bilden aus dem natürlich in Hefen vorkommenden 2,3-Oxidosqualen das gewünschte Triterpenoid. Weitere enzymatische Modifikation wie Oxidationen oder der Einbau von Zuckerresten verändern dessen chemischen Eigenschaften und Bioaktivität. Hierfür wird ein Hefestamm mit einem am Fraunhofer IME in Münster optimiertem MVA-Weg genutzt. In diesem Stamm ist ein Schlüsselregulator ausgeschaltet, der im aktiven Zustand das Ablesen der MVA-Synthesegene hemmt und so die Bildung der notwendigen Enzyme unterbindet. In einem weiteren Schritt überexprimierten die Forschenden Gene, die essenziell für die Produktion des spezifischen Vorläufermoleküls sind, um deren Menge zu erhöhen. Des Weiteren modifizierten sie einen Seitenzweig, der in Hefe ebenfalls dieses Vorläufermolekül umwandelt, sodass er kontrolliert an- und ausgeschaltet werden kann. Die Implementierung dieser Hefe-Plattform erhöhte die Produktivität des MVA-Weges und leitete den Stoffwechselfluss in Richtung des gewünschten Triterpenoids um. Der Erfolg spiegelt sich in einer drastisch gesteigerten Ausbeute wider. Die aufgereinigten Triterpenoide weisen eine hohe Reinheit und konstante Qualität auf. In-vitro zeigten diese Substanzen positive Effekte auf inflammatorische Parameter. Die iterativen Optimierungen der Modifikation kompetitiver Stoffwechselwege ermöglicht eine Produktion in wirtschaftlich relevanten Mengen. Die Hefe-Plattform wird weiter ausgebaut und steht nun für die Synthese weiterer Isoprenoide zur Verfügung.