Hefebakterien umprogrammieren und THC gewinnen

Biochemiker von der TU Dortmund berichten in einer neuen Studie, wie sie Hefe genetisch manipuliert haben, um die Bakterien auto-matisch THC produzieren zu lassen. Ein biosynthetischer Durchbruch, von dem Bio-Hacker und Stoner-Scientists schon länger träumen.

Den Forschern Bastian Zirkel, Dr. Felix Stehle und Prof. Dr. Oliver Kayser gelang es zwar, neue Wege beim Hacken der THC-produzierenden Hefepilze zu beschreiten, allerdings konnte sie nur eine geringe Menge THC im Labor herstellen. Damit stehen sie nun vor einer ähnlichen Herausforderung wie vergleichbare Biosynthese-Projekte: Auch bei den jüngsten Laborproduktion von Morphium und Opium geht es jetzt im nächsten Schritt darum, die Produktion entsprechend zu skalieren. Denn nur dann sind die Verfahren der Bioingenieure den Aufwand wert ist und können ihr Ziel erreichen, günstigere und bessere Produktionsverfahren für medizinische Schmerzmittel zu entwickeln.

Das kalifornische Unternehmen Amyris zeigt dabei, wie sich biosynthetische Verfahren auch im großen Stil umsetzen lassen könnten. Die Firma hat nicht nur eine riesige Biosynthese-Anlage in Brasilien errichtet, sondern konnte den Petroleum-ähnlichen Stoff Squalen auch im Umfang mehrerer Kilotonnen biosynthetisch züchten und dabei auch noch höhere Qualität erreichen. Für die meisten Menschen ist die Marihuana-Pflanze ein Naturprodukt—wenige denken an die Chemie dahinter. „Dank der synthetischen Biologie konnten wir bessere Ergebnisse erzielen, weil wir die Programmierung der Zellen kontrollieren können“, gab Jack Newman, Mitbegründer von Amyris, kürzlich bei einer DARPA-Konferenz in New York zu Protokoll.

Die Bioingenieure vom Montrealer Start-up Hyasynth Bio wiederum versuchen, die auf gehackter Hefe basierenden Verfahren, die auch in Dortmund zum Einsatz kamen, im großen Stil umzusetzen. Die jüngsten Erkenntnisse der deutschen Forscher „geben uns dabei einige wichtige Hinweis über realistische Varianten für die Laborzucht von THC“, erklärte Hyasynth Chef Kevin Chen gegenüber Motherboard.

Chen möchte mit seinem synthetischen THC und anderen Cannabinoiden Ende nächstes Jahr in die Produktion gehen. Allerdings ist es schwer abzusehen, ob diese Projekte jemals auch kommerziell lukrativ werden. „In großer Quantität zu produzieren, ist jetzt die zentrale wissenschaft-liche Herausforderung. Auch wir arbeiten noch viel an der Grundlagenforschung und einfachen Experimenten—aber das Ziel bleibt das selbe: THC aus Hefe zu synthetisieren.“

Auch wenn Marihuana-Pflanzen sich über die Jahrhunderte als ideale natürliche Produzenten von THC entwickelt haben, so ist Chen über-zeugt, dass es auch noch Raum für synthetische und genetisch gefertigte Alternativen gibt. Sobald Forscher und Unternehmen es schaffen, das Problem der Skalierung zu lösen und lukrativ biosynthetisch zu produzieren, werden sie in der Lage sein, die chemischen Konzentrationen und Zusammensetzungen von Weed zu manipulieren. So könnten gezieltere Therapien mit unterschiedlichen Wirkstoffen entstehen.

„Für die meisten Menschen ist die [Marihuana]-Pflanze ein Naturprodukt—wenige denken an die Chemie dahinter“, erklärte Chen weiter. „Wenn du nur die Pflanze nutzt, dann beschränkst du dich künstlich. Es steht immer noch viel Forschung an, um herauszufinden, welchen Effekt verschiedene Cannabis-Wirkstoffe im Körper haben.“ Auch wenn die Fortschritte der Bioingenieure durchaus vielversprechend klingen, so müssen Kiffer ihre Poster mit Weedpflanzen noch nicht durch Bilder von Hefezellen ersetzen.

Mithilfe der Biosynthese ist es möglich, aus Hefe Cannabinoide zu gewinnen. Verschiedene Unternehmen arbeiten aktuell an der Weiterentwicklung dieser Methode (Leafly berichtete). Einem aktuellen Medienbericht zufolge haben jetzt Wissenschaftler in Kalifornien eine neue Hefesorte (Designerhefe) entwickelt, mit der Cannabis-Extrakt anstelle von Bier gebraut werden kann.

Nur mit der Zugabe von Zucker fermentierte die gentechnisch veränderte Hefe zu reinen Cannabinoidverbindungen, darunter auch THC und CBD. Die Wissenschaftler, die der Meldung bereits eine „Cannabinoid-Brauerei“ gegründet haben, erklären, dass das Verfahren wesentlich billiger, sicherer und umweltfreundlicher ist als die Extraktion der Verbindungen aus der Cannabispflanze.

Jay Keasling, Professor für Chemie und Biomolekulartechnik an der University of California Berkeley, erklärte, dass der Prozess wie beim Bierbrauen funktioniere. „Sie geben der Hefe Zucker hinzu und sie produzieren ein gewünschtes Cannabinoid, und nicht Ethanol, das sie normalerweise produzieren würden“, so Keasling.

Mit Designerhefe neue Cannabinoidverbindungen produzieren

Die Designerhefe lieferte auch neuartige Cannabinoidverbindungen oder Chemikalien, die in der Cannabispflanze nur in sehr geringen Mengen vorkommen. Damit könne man Substanzen herstellen, die die potenzielle medizinische Anwendung erweitern könnten.

Beim konventionellen Brauen erzeugt Hefe Enzyme, die Zucker in Alkohol und Kohlendioxid umwandeln. In der neuen Version fügten die Wissenschaftler mehr als ein Dutzend Gene in die DNA der Hefe ein, von denen viele Kopien von Genen sind, die von der Cannabispflanze zur Synthese von Cannabinoiden verwendet werden.

Die Gene pumpen Enzyme aus, die als Katalysatoren in einer Kette chemischer Reaktionen fungieren, beginnend mit Zucker und schließlich zu einer Chemikalie namens Cannabigerolsäure („die Mutter aller Cannabinoide“). Eine Reihe von Cannabisverbindungen, darunter THC und CBD, sind von dieser Säure ableitbar.

Die genaue Mischung der genetischen Insertionen, die in die Designerhefe eingebracht werden musste, war ein komplexer und langwieriger Prozess. Aber jetzt, nach der Schaffung der cannabinoidproduzierenden Hefe, kann sie wie gewöhnliche Bierhefe kultiviert werden.

Weiter heißt es in dem Bericht, dass es für die medizinische Forschung schwer sei, die zahlreichen Verbindungen aus der Cannabispflanze zu extrahieren. Denn viele der Cannabinoidverbindungen kommen nur in geringem Maße in der Pflanze vor. Cannabinoid-Brauereien könnten kostengünstige und reinere Quellen für diese Chemikalien liefern, sodass es möglich wäre, die Auswirkungen erstmals detailliert zu untersuchen.

Im Labor verwendeten die Wissenschaftler Flaschen zum Anbau der Hefe. Es sei aber geplant, die Produktion auf große Edelstahltanks auszudehnen. Keasling und seine Kollegen haben eine Firma namens Demetrix gegründet. Von dieser erwarten sie, dass sie im nächsten Jahr kleine Produktmengen und in drei Jahren große Mengen kommerziell liefern kann.

Alternative zum Cannabisanbau?

Die Forscher erklärten, dass die Verwendung von Designerhefe eine „grünere“ Methode für den Anbau von Cannabis darstelle. Denn Cannabis werde häufig mit großen Mengen an Pestiziden und Düngemitteln gezüchtet. Der Indoor-Anbau würde viel Licht bzw. Energie benötigen. Einer Studie zufolge macht die Cannabisindustrie drei Prozent des Energieverbrauches des US-Bundesstaates Kalifornien aus, so die Forscher abschließend.

Quellen: MOTHERBOARD und Leafly.de

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1992 gründete der Zürcher Fotojournalist Gerd Müller die Presse- und Bildagentur GMC Photopress und reiste hernach als Agenturfotograf und Fotojournalist in über 80 Länder. Seine Reportagen wurden in zahlreichen Reise- und Spa-Magazinen publiziert.

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