Massenhaft und maßgeschneidert
Als Medikament, in der Nahrung, in Kosmetika: Zuckerverbindungen spielen an vielen Stellen eine entscheidende Rolle. In einem neuen europaweiten Forschungsverbund arbeiten Wissenschaftler an Methoden, diese Verbindungen hocheffizient herzustellen. Mit dabei ist der Würzburger Chemiker Jürgen Seibel.
Nein, es geht nicht um die weißen Kristalle, die im Kaffee oder Tee für die Süße sorgen. In dem neuen EU-Projekt dreht sich zwar auch alles um Zucker. Ziel der Wissenschaftler ist es jedoch, sogenannte Biokatalysatoren zu entwickeln, die die Herstellung von zuckerbasierten Naturstoffen hocheffizient bewerkstelligen sollen. Verwendung könnten diese Substanzen beispielsweise als Medikament und in Lebensmitteln finden.
Jürgen Seibel ist Zuckerexperte
Jürgen Seibel ist einer der an dem Projekt Beteiligten. Der Professor am Institut für Organische Chemie der Universität Würzburg forscht seit vielen Jahren an den Zuckermolekülen: Sein Team spürt biologisch wichtige Zuckerverbindungen auf, baut sie im Labor nach und untersucht ihre Funktionen.
Was ihn daran interessiert? „Zuckerverbindungen spielen bei einer ganzen Reihe von Krankheiten eine entscheidende Rolle, beispielsweise bei Virusinfektionen, wie der Vogelgrippe und Aids, aber auch bei Krebs oder Malaria“, sagt Seibel. Das mache die Kohlenhydratstrukturen so interessant – für die Diagnostik wie auch als Angriffspunkt für neue Medikamente.
Probleme bei der Synthese
Bis es soweit ist, müssten die Zuckerverbindungen allerdings im großen Maßstab synthetisierbar sein. Daran hapert es derzeit noch. „In unserem Körper werden einzelne Zuckerbausteine hocheffizient zu komplexen Oligosacchariden miteinander verknüpft. Das erledigen spezielle Enzyme, sogenannte Glycosyltransferasen“, erklärt Seibel.
Die Synthese im Labor sei weitaus komplizierter: Häufig nur unter Einsatz von Schwermetallen und mit einem enormen Zeitaufwand sei es möglich, bestimmte Zucker zu synthetisieren, schildert der Chemiker. Eine kostengünstige Produktion großer Mengen sei wegen dieses hohen synthetischen Aufwands bisher nicht möglich.
Enzyme nach Maß
An diesem Punkt setzt die Arbeitsgruppe um Jürgen Seibel an. Sie nutzt beispielsweise Enzyme, die normalen Haushaltszucker anstelle der speziellen Bausteine umsetzen können. Diese Enzyme stammen nicht aus menschlichen Zellen, sondern aus Bakterien und Pilzen. Allerdings sind die Enzyme sehr selektiv, sie können deshalb nicht jede beliebige Verknüpfung einzelner Zuckerbausteine durchführen. „Wir haben deshalb ihre natürlichen SyntheseEigenschaften im Labor erweitert“, schildert Seibel.
Angriffspunkt für die Arbeiter der Wissenschaftler war das Erbgut der Bakterien und Pilze – und dort das Gen, das für die Produktion der Glycosyltransferasen verantwortlich ist. Mit Hilfe gentechnischer Methoden veränderten Seibel und seine Mitarbeiter einzelne Bausteine dieses Gens und erzeugten auf diesem Weg ganze „Enzymbibliotheken“. Am Ende des Prozesses standen Enzyme mit Eigenschaften, die auf die jeweilige Anwendung maßgeschneidert waren. Mit einer zielgerichteten Kombination von Zuckerbaustein-Modifikation (SubstratEngineering) und Katalysatordesign (Enzym Engineering) will das Team nun die Synthesemöglichkeiten komplexer Zucker enorm erweitern.
Mit insgesamt fünf Millionen Euro fördert die Europäische Union das Projekt SUSY – Sucrose Synthase as Cost-Effective Mediator of Glycosylation Reactions – in den kommenden vier Jahren. Rund 735.000 Euro davon fließen nach Würzburg. Neben dem Würzburger Team sind Wissenschaftler der Universitäten Graz und Gent daran beteiligt sowie eine Madrider Forschungseinrichtung und zwei Partner aus der Industrie.
Am Natural Life Excellence Network beteiligt
Die Beteiligung an dem EU-Projekt ist nicht die einzige Erfolgsmeldung aus Jürgen Seibels Arbeitsgruppe. Die Wissenschaftler sind ebenfalls an der Innovationsallianz Natural Life Excellence Network 2020 (NatLifE 2020) beteiligt. Diese erhielt kürzlich im Rahmen der Ausschreibung „Innovationsinitiative Industrielle Biotechnologie“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung als erste Allianz einen Zuwendungsbescheid. Hier verfolgen die Wissenschaftler die biokatalytische Entwicklung einer neuen Generation natürlicher, biologisch aktiver Komponenten als wertvolle Wirkstoffe für die Lebensmittel- und Kosmetikindustrie. Damit sollen Ernährung, Gesundheit und Wohlbefinden der Menschen verbessert werden.
Zuckerstrukturen im Körper
Zuckerstrukturen spielen im menschlichen Körper eine wichtige Rolle bei einer Vielzahl zellulärer Prozesse. Wenn Zellen miteinander kommunizieren, beim Transport von Botenstoffen, in molekularen Steuerungs- und Regelungsvorgängen: überall finden sich Zucker. Mehr als 70 Prozent aller Proteine im menschlichen Körper tragen die typischen ringförmigen Zuckermoleküle; auch an vielen Fette finden sie sich. Im Prinzip ist jede Zelle mit einer Hülle aus Zucker umgeben.
Allerdings ist Zucker nicht gleich Zucker. Die Kohlehydratketten können außerordentlich lang sein und sich mehrfach verzweigen. Rein theoretisch können sich die acht einfachsten Zuckermoleküle im Körper zu mehreren Millionen verschiedener Zuckerstrukturen zusammenschließen – was die Angelegenheit für die Forschung so kompliziert macht. Um solche Moleküle künstlich herzustellen, waren mitunter monatelange, langwierige und mühsame Prozesse nötig.
Mittlerweile sind Strukturen und Funktionen der Zuckerverbindungen Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten. In der Medizin könnten sie als Diagnosemarker dienen sowie als Angriffsort für medikamentöse Therapien. In der Materialwissenschaft dienen sie als Modell zur Entwicklung neuer Biomaterialien. Und die Lebensmittelindustrie setzt auf Zuckerstrukturen, die als Nahrungsmittelzusatz gesundheitsfördernde Wirkung entfalten sollen.
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