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Rausch aus dem Reagenzglas

(04.09.2018) Pilze aus der Kahlkopf-Familie sind berühmt-berüchtigt für den hallu­zino­genen Inhaltsstoff Psilocybin. Jenaer Wissenschaftler haben die Substanz im Labor synthetisiert.
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Formen und Farben verschwimmen, Wände atmen – der Konsum von Magic Mushrooms kommt einem LSD-Trip gleich. Verantwortlich für die Rausch-Wirkung ist Psilocybin, ein Indolalkaloid aus der Gruppe der Tryptamine. Die angstlösenden und antidepressiven Effekte des Halluzinogens können aber auch medizinisch genutzt werden – wenn man die Droge nur aus günstigen Ausgangssubstanzen herstellen könnte. Genau das hat das Team von Dirk Hoffmeister an der Friedrich-Schiller-Universität Jena und am Hans-Knöll-Institut (HKI) erfolgreich getan. Die Gruppe hat zudem ein Verfahren entwickelt, mit dem in Laborkulturen des Gießkannenschimmels Aspergillus nidulans größere Mengen der Substanz produziert werden können.

Bereits im vergangenen Jahr haben Hoffmeister und Co. die Enzyme für die Psilocybin-Biosynthese identifiziert (Angew Chem Int Ed Engl, 56(40):12352-5). Da die natürlicherweise Psilocybin-produzierenden Magic Mushrooms für genetische Manipulationen wenig zugänglich sind, musste dies durch Überexpression von Kandidaten-Genen in Bakterien und Charakterisierung der Enzymaktivitäten in vitro erfolgen. „Die Psilocybin-Synthese mussten wir damals noch mit 4-Hydroxy-L-Tryptophan durchführen, was teuer ist“, erläutert Hoffmeister. „In unserer diesjährigen Publikation (Chemistry, 24(40):10028-31) beschreiben wir, wie wir Psilocybin durch Zusatz des Pilz-Enzyms Tryptophan-Synthase aus den günstigeren Ausgangsstoffen 4-Hydroxyindol und L-Serin in wenigen Stunden in vier Synthese-Schritten herstellen können.“

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Gefährlich hohe Ausbeute

Für die Produktion von Psilocybin in Pilzkulturen arbeitete Hoffmeister mit dem erfahrenen Pilzgenetiker und Experten für synthetische Biologie Vito Valiante zusammen. Dessen Gruppe am HKI hat dafür ein ausgeklügeltes Vektorsystem entwickelt. „Wir hatten die Anwendung, Vito hatte die Methoden zur Gen-Expression in Pilzen. Am HKI mit seiner Kultur der offenen Türen sind Kollaborationen ohnehin üblich und gern gesehen“, so Hoffmeister.

Die Ausbeute an Psilocybin war mit 110 mg pro Liter Kultur beachtlich und brachte die Forscher schnell an die Obergrenze der genehmigten Herstellungsmenge (Metab Eng, 48:44-51). Denn Psilocybin unterliegt dem Betäubungsmittelgesetz – die Erforschung ist daher mit besonderen Vorkehrungen verbunden. Zum einen braucht man eine Genehmigung sowohl vom Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte als auch von der Bundesopiumstelle. Zum anderen muss im Labor Platz geschaffen werden, für einen speziellen Betäubungsmittelschrank.

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Cleveres Vektordesign

Der von Valiantes Gruppe entwickelte Expressionsvektor ermöglicht die Expression mehrerer Gene unter Kontrolle eines einzigen Promotors. Über eine Restriktions­schnittstelle lassen sich auch Promotoren für die Gen-Expression in anderen Fadenpilzen oder Hefe einfügen. Für die Psilocybin-Synthese in Aspergillus nidulans enthält der Vektor die vier Gene des Psilocybin-Clusters unter Kontrolle eines Tetracyclin-induzierbaren Promotors.

„Zwischen die einzelnen Gen-Sequenzen haben wir eine Erkennungssequenz für die Tobacco Etch Virus-Protease eingebracht, gefolgt von einer Sequenz, die für ein 2A-Peptid codiert. Dieses wird während der Translation von den Ribosomen erkannt, welche am Ende des 2A-Peptids die Peptidkette durchtrennen, ohne sich von der mRNA zu lösen. So können sie direkt das nächste Protein synthetisieren. Diesen ‚Stop-carry on‘-Mechanismus haben wir bei den Picorna-Viren abgeschaut“, berichtet Valiante. „Damit das C-terminale 2A-Peptid die Funktion der hergestellten Enzyme nicht stört, schneiden wir es mithilfe einer parallel exprimierten Tobacco Etch Virus-Protease einfach ab“, fügt er hinzu.

Selektion in Gelb

Das Expressionssystem erlaubt auch die einfache, Fluoreszenz-mikroskopische Selektion von funktionstüchtigen Transformanden. „In unserem Vektor befindet sich vor dem ersten eingefügten Gen der N-terminale Teil eines Gelb-fluoreszierenden Proteins (yellow fluorescent protein, YFP) und nach dem letzten eingefügten Gen der C-terminale Teil“, erklärt Valiante. „Beide Sequenz-Abschnitte beinhalten zusätzlich eine Kern-Lokalisationssequenz. Außerdem tragen sie die Sequenz für eine Leucin-Zipper-Helix, über die die beiden gebildeten Protein-Abschnitte miteinander interagieren. Nur wenn also das gesamte im Vektor enthaltene Gen-Cluster abgelesen und alle Proteine korrekt produziert werden, werden auch beide Untereinheiten des YFP gebildet und in den Zellkern transportiert. Dort binden sie aneinander und lassen den Kern unter dem Fluoreszenz-Mikroskop gelb leuchten“, erklärt der Forscher.

Welches Verfahren zur Herstellung von Psilocybin – synthetisch oder biotechnologisch – sich letztlich durchsetzen wird, müsse die Zukunft zeigen, bemerkt Dirk Hoffmeister. „Der derzeitige Bedarf könnte über in-vitro-Synthesen gedeckt werden. Sollte Psilocybin als Medikament gegen Depression oder Angststörungen zugelassen werden, würde der Bedarf steigen und die biotechnologische Herstellung wäre interessanter. Unsere Publikationen tragen auf jeden Fall dazu bei, das Molekül wieder in den Mittelpunkt zu rücken und Psilocybin aus der Schmuddelecke herauszuholen“, kommentiert der Wissenschaftler.

Nicht nur Drogen

Die Jenaer Wissenschaftler interessieren sich jedoch nicht nur für Halluzinogene. Valiante möchte sein Expressionssystem nutzen, um Abschnitte im Genom von Fadenpilzen zu untersuchen, die für die Produktion von Sekundärmetaboliten zuständig sind. „Wir wollen Kandidaten-Gene exprimieren und herausfinden, welche Moleküle die entsprechenden Enzyme produzieren können. Uns interessiert besonders, ob sich die Moleküle als Antibiotika eignen“, erläutert der Pilzgenetiker.

Hoffmeister haben es Naturstoffe im Allgemeinen angetan. Kürzlich hat seine Gruppe in Ständerpilzen eine neue Enzymklasse identifiziert, die zwei neuartige Polyene produziert (Angew Chem Int Ed Engl, 56(21):5937-41). Diese gelben Farbstoffe hemmen die Verpuppung von Insekten (J Nat Prod, 77(12):2658-63). Die Hoffmeister-Gruppe untersucht zudem Antibiotika aus dem Hausschwamm, die die Beweglichkeit von Bakterien hemmen „Das ist nicht so öffentlichkeitswirksam wie die Herstellung von Psilocybin, aber aus der Sicht eines Grundlagenforschers genauso relevant“, so der Professor für Pharmazeutische Mikrobiologie.

Bettina Dupont



Letzte Änderungen: 04.09.2018

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