Essbare Bakterien

Studenten am MIT und dem California Institute of Technology nutzen Techniken aus der synthetischen Biologie, um Mikroorganismen zu erschaffen, die Vitamine produzieren und gleichzeitig Zahnlöcher und Laktoseintoleranz bekämpfen können. Das Projekt ist Teil des "International Genetically Engineered Machines"-Wettbewerbs (IGEM), der derzeit am MIT läuft. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse könnten unter anderem dazu beitragen, kostengünstigere Wege bei der Produktion von Medizin aufzeigen. Die Arbeiten sind Teil des Forschungsfeldes der Probiotik, bei dem Bakterien mit positiven gesundheitlichen Auswirkungen für den Menschen erforscht werden.

Die synthetische Biologie versucht, neue Organismen zu entwerfen und zu züchten, die nützliche Funktionen erfüllen können. Große Teile der Forschung auf diesem Gebiet konzentrierten sich bislang auf den Umbau von Bakterien zu chemischen Fabriken; einer der ersten Erfolge war die Entwicklung von Mikroorganismen, die ein Malariamedikament produzierten. Andere Studien untersuchten Bakterien als ferngesteuerte Auslieferungsinstrumente für Wirkstoffe – Mikroben also, die Medizin in einen bestimmten Bereich des Körpers bringen. Neu ist, dass gleich mehrere Projekte versuchen, der Gesundheit förderliche Bakterien zu schaffen, die essbar sind.

Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass in unserem Körper bereits Milliarden natürlicher Bakterien vorkommen. "Wenn man ein Bakterium bei Menschen anwenden möchte, muss man zunächst darüber nachdenken, wo sie natürlich vorkommen und im Menschen überleben können. Darauf aufbauend kann man dann neue Funktionen ergänzen", sagt Christina Smolke, synthetische Biologin am Caltech, die das Universitätsteam berät.

Unser Mund ist beispielsweise ein Hafen für Bakterien, die sowohl nützlich als auch schädlich sind. Streptococcus mutans, zu finden im Zahnbelag, frisst Zucker auf unseren Zähnen und gibt dann Säuren ab, die den Zahnschmelz angreifen und für Zahnlöcher sorgen. Um Mikroorganismen zu schaffen, die Zahnlöcher bekämpfen können, begannen die MIT-Studenten mit einem Peptid, einem kleinen Proteinsegment, von dem bereits bekannt war, dass es schlechte Bakterien davon abhält, sich an die Zähne anzuheften. Das Team baute dazu ein DNA-Stück, das mehrere Gene enthält – eines, das für die Produktion des Peptids sorgt und ein weiteres, das das molekulare Signal zu seiner Ausscheidung gibt.

Der nächste Schritt ist nun, diese DNA-Abschnitte in das Joghurtbakterium Lactobacillus bulgaricus einzupflanzen. Soweit sind die Studenten zwar noch nicht, doch sie haben bereits erfolgreich fremde Gene in den Mikroorganismus eingefügt, was zeigt, dass er sich für weitere gentechnische Veränderungen eignet. Das allein sei schon ein beeindruckender Fortschritt, wenn man bedenkt, dass Lactobacillus bulgaricus derzeit im Labor kaum verwendet wird und dazu deshalb experimentelle Techniken entwickelt und eingesetzt werden mussten, erläutert Smolke.

Wenn der vollständige Mikroorganismus dann hergestellt ist, würde es ausreichen, Joghurt zu essen, um ihn auf den Zähnen anzulagern, wo dann das Peptid produziert würde. "Das würde vermutlich besser funktionieren als ein antibakterieller Wirkstoff, der einfach alles abtötet", sagt Chia-Yung Wu, Masterstudent im Fach Biologie am MIT, der das Team berät. "Wir gehen hier nur die gefährlichen Dinge an." Da hat Wu recht: Ein Hauptproblem von Antibiotika besteht darin, dass sowohl schädliche als auch hilfreiche Bakterien im Mund und im Magen zerstört werden. Das wiederum lädt schädliche Bakterien geradezu ein, sich neu und ohne Konkurrenz anzusiedeln.

Ein zentrales Projekt in der synthetischen Biologie ist der Versuch, eine große, öffentlich zugängliche "Teileliste" zu schaffen – einen Katalog aus Gensequenzen und Funktionen der daraus resultierenden Proteine. Das MIT-Team plant derzeit nicht, ein kommerzielles Produkt aus dem Zahnschutz-Joghurt zu schaffen, doch die biologischen Teile, die es entwickelt, könnten eines Tages bei anderen Anwendungen nützlich sein, beispielsweise zur Erhöhung des Nährwertes von Joghurt, in dem das Bakterium dann ein bestimmtes Vitamin produziert.

Das Team, zu dem die Bachelor-Studenten Sara Mouradian und Derek Ju gehören, hat die von ihm geschaffenen Teile bereits teilweise an eine zentrale Datenbank des MIT weitergereicht, der "Registry of Standard Biological Parts". Die Erweiterung dieser Registratur ist einer der wichtigsten Aspekte des IGEM-Wettbewerbs. "In diesem Jahr schicken wir 2000 DNA-Teile an jedes Team und werden 1500 neue zurückbekommen", sagt Randy Rettberg, Direktor der Veranstaltung und leitender Forschungswissenschaftler am MIT.

Das Caltech-Team konzentrierte sich auf Mikroben im Magen und versuchte, eine mikrobielle Lösung für das Problem der Laktoseintoleranz zu finden. "Statt jeden Tag Vitamine zu nehmen, könnten die Betroffenen einige Mikroorganismen trinken und dann für eine Woche oder einen Monat keine Probleme mehr haben, so lange sie sich halten", sagt Josh Michener, Caltech-Master-Student, der das Team berät.

Menschen, die Milchprodukte vertragen, bilden natürlicherweise Lactase, ein Enzym, das den Lactose-Zucker in der Milch abbauen kann. Die dabei anfallenden Zerfallsprodukte, zu denen Glucose gehört, werden im Dünndarm ins Blut aufgenommen. Ist ein Mensch hingegen lactoseintolerant, wird der Zucker an den Dickdarm weitergegeben, wo er schließlich von einer Kette aus Bakterien verstoffwechselt wird. Dabei werden Wasserstoff und Methangas produziert, die Gründe für unschöne Symptome wie Unwohlsein, Blähungen oder Durchfall.

Längst existieren Lactase-Pillen, um den Betroffenen zu helfen, Milchprodukte korrekt zu verdauen, doch die Caltech-Studenten suchen nach einer permanenteren Lösung. Sie begannen mit einem Stamm E. coli, der in Deutschland oft in der Probiotik verwendet wurde. Nissle 1917 genannt, wurde er ursprünglich Soldaten aus dem ersten Weltkrieg entnommen, die immun gegenüber einem starken Magen-Darm-Virus waren, das unter Armeen für zahlreiche Erkrankte sorgte, erläutert Michener.

Die Studenten ergänzten drei biologische Teile zum Nissle-Bakterium: Ein Gen, das das Lactase-Enzym produziert, einen Rezeptor, der Lactose erkennt und eine Art Sensor, der dafür sorgt, dass die Zelle bei einer bestimmten Lactosekonzentration aufbricht. Mit diesem System würden Bakterien im Darm ständig Lactase produzieren. Wenn die Rezeptoren auf der äußeren Oberfläche eines Bakteriums sich an eine genügend große Lactosemenge binden, würde dies zu einem Aufplatzen der Zelle führen, die dann Lactase in den Darm freigibt, um den Zucker abzubauen. Die Studenten haben die ersten zwei Komponenten bereits fertig, stehen nun aber vor dem Problem, Mikroorganismen zu schaffen, die einen passenden Selbstzerstörungsmechanismus besitzen. Das Team arbeitet außerdem an essbaren Mikroorganismen, die Folsäure produzieren, ein Vitamin, das hilft, Geburtsfehler zu vermeiden.

Beide Teams stellten ihre Ergebnisse beim IGEM-Wettbewerb vor, zusammen mit mehr als 70 anderen Teams von Universitäten auf der ganzen Welt. In den vergangenen Jahren schufen Studenten beim IGEM die unterschiedlichsten Anwendungen – vom Fotofilm aus Bakterien über Mikroorganismen, die nach Bananen duften bis hin zu mikroskopisch kleinen Kästchen, die nur aus DNA bestanden. (bsc)