Ein Falcon-Tube, Gummibänder und eine Pinzette helfen den Gifttierforschern, Hundertfüßer der Gattung Scolopendra zu melken.
Von den über 1,2 Millionen bisher bekannten Tierarten sind über 200.000 giftig. Dabei ist die Fähigkeit, Gifte einzusetzen, um damit entweder Feinde abzuwehren oder selbst Beute zu machen, immer wieder unabhängig voneinander entstanden, sodass heute in jeder Tiergruppe Gifttiere vorkommen. Tiergifte sind extrem komplexe Gemische aus bis zu vielen hundert unterschiedlichen Komponenten, den Toxinen.
„Ursprünglich bezog sich die Giftforschung nur auf Tiere, die auch beim Menschen Vergiftungen verursacht haben“, erklärt Björn von Reumont, der zuletzt am Institut für Insektenbiotechnologie der Universität Gießen die Arbeitsgruppe für „Tiergifte“ koordiniert hat. „Geforscht wurde hauptsächlich, um Gegengifte zu finden; im Fokus standen Spinnen, Schlangen, Skorpione und vielleicht noch Bienen und Wespen.“ Heute suchen er und seine Kolleginnen und Kollegen auch in Krebsen und Hundertfüßern nach Giften – immer in der Hoffnung, dort etwas Neues, vielleicht gänzlich Unbekanntes und bestenfalls sogar Nützliches zu entdecken.
Viel Handarbeit
„In der Anfangszeit der Gifttierforschung konnten nur Tiere untersucht werden, die große Mengen an Gift produzieren“, erinnert sich der Forscher. „Das waren vor allem Schlangen, die sich ja regelrecht melken lassen, und einige große Spinnen.“ Wissenschaftler reinigten die Rohgifte zuerst durch Filter und fraktionierten sie anschließend durch trennende Verfahren wie Gelelektrophorese oder Flüssigkeitschromatographie. Wenn man Glück hatte, erhielt man auf diese Weise reine Toxine, die man weiter untersuchen konnte. Sequenzen wurden über Edman-Abbau oder Massenspektrometrie aufgeklärt; um die biologische Aktivität zu untersuchen, kamen pharmakologische Assays zum Einsatz, die ebenfalls viel Material benötigten.
„Zu Beginn der Gifttierforschung konnte man biologische Aktivität von Giften nur in Gemischen messen“, erinnert sich Dietrich Mebs, der sich bereits in den 1960er-Jahren während seiner Doktorarbeit mit Schlangengiften beschäftigte und diesen über 50 Jahre treu geblieben ist. „Im Vordergrund unserer Arbeit stand deshalb anfangs, die einzelnen Toxine voneinander zu trennen und zu reinigen.“ Die Etablierung von säulenchromatographischen Verfahren wie Ionenaustausch und Gelfiltration zur Trennung von Proteinen sei eine kleine Revolution gewesen: „Mit wenig Aufwand und etwas Geschick konnte man damit recht reine Toxine bekommen.“
Methodische Fortschritte
Nach der Reinigung von Toxinen stand mit der Sequenz- und Strukturaufklärung die nächste Herausforderung an: „Anfangs konnte man Proteine nur hydrolysieren und dann die einzelnen Aminosäuren nachweisen. Später ließen sich Sequenzen über den Edman-Abbau bestimmen“, erinnert sich der Toxikologe. „Das ging damals alles per Hand und war aufwendig, aber es hat die Proteinforschung sehr vorangebracht.“
Mit den vorgestellten Methoden kommt man aber schnell an die Grenzen, wenn nur wenig Rohgift zur Verfügung steht. Schon die Gewinnung des Rohgifts sei dann manchmal eine Herausforderung. „Bei meinen Versuchen mit Wildbienen oder Krebs-Arten konnte ich das Gift meist nur gewinnen, in dem ich die Giftdrüse herauspräparierte“, so von Reumont.
Hier sind den Venomics-Forschern insbesondere zwei Entwicklungen zu Hilfe gekommen: Erstens, so von Reumont, habe sich die Empfindlichkeit von analytischen Verfahren wie der Massenspektrometrie deutlich verbessert. Und zweitens existieren heute molekulare Methoden, mit denen sich Toxin-Gene im Genom aufspüren und in Proteinsequenzen übersetzen lassen. „Wir können heute beispielsweise die kompletten Transkripte aus der Giftdrüse extrahieren“, freut sich der Giftforscher. „Wenn wir diese Daten mit dem Proteom, also allen Peptiden und Proteinen aus dem Rohgift abgleichen, können wir Toxine ziemlich sicher identifizieren.“
Auch die dazugehörigen Gene lassen sich anschließend aufspüren – zumindest wenn vergleichende Genomdaten vorliegen. Und da habe sich ebenfalls viel getan: „Wir profitieren sehr davon, dass immer mehr Genome veröffentlicht werden, die dabei helfen, die noch recht unklaren Mechanismen zu verstehen, die die Entstehung von Gift-Genen antreiben.“ Dass Methoden wie der Edman-Abbau heute weitgehend in Vergessenheit geraten sind, findet Mebs zwar etwas schade, doch ansonsten ist er wie sein jüngerer Kollege davon begeistert, was in der Giftforschung möglich geworden ist.
Enttäuschende Bilanz
Denn an die Anwendung von Giften knüpfen sich viele Hoffnungen – spätestens seit der Entdeckung des Conotoxins Ziconotid aus der Zauberkegelschnecke (Conus magnus), das Schmerzen wirksamer ausschaltet als Morphin, dazu mit dem Vorteil, dass ein Gewöhnungseffekt ausbleibt. Von Reumont möchte allerdings lieber keine zu großen Hoffnungen wecken. „Tatsächlich haben die vergangenen zwanzig Jahre Forschung bisher relativ wenige Produkte auf den Markt gebracht“, sagt er. Zwar gebe es immer wieder Durchbrüche wie ein Peptid aus Spinnengift, das als Bio-Insektizid den Anbau von gentechnisch veränderten Pflanzen unnötig machen kann. „Aufgrund seiner stabilen Struktur kann es einfach auf die Pflanzen gesprüht werden.“
Anwendungen für Toxine seien aber Einzelfälle, denn das große Problem sei ein Engpass weiter hinten in der Forschungspipeline: „Durch unsere neuen Venomics-Methoden können wir heute vielversprechende Kandidaten tatsächlich sicherer identifizieren. Die Produktion und anschließende Testung bleiben aber das Nadelöhr“, ist der Forscher überzeugt. Während kleine Peptide noch in Feststoffsynthese hergestellt werden können, müssen größere Peptide und Proteine heterolog exprimiert werden. Dabei kann es zu Fehlern bei der Faltung kommen, die gerade bei Toxinen essenziell für deren Aktivität ist. „Von 10.000 Kandidaten bleiben dann vielleicht nur 10 bis 100 übrig, die in die präklinische Testung gehen. Weitere Kandidaten scheiden später aus, weil sie schwere Nebenwirkungen haben.“
Mebs ist ebenfalls enttäuscht darüber, wie wenig Anwendungen sich aus fünfzig Jahren Forschung ergeben haben. „Wir Toxikologen haben uns immer gefragt, wie man unsere Ergebnisse pharmazeutisch nutzen kann“, sagt er. „Zwar gibt es viele Toxine mit ganz spezifischen Wirkungen, aber die Versuche, daraus Medikamente zu machen, waren nicht sehr erfolgreich.“ Einer der Gründe dafür, warum viele Wirkstoffkandidaten bei klinischen Studien auf der Strecke bleiben, sei, dass Peptide im Verdauungstrakt leicht inaktiviert werden.
Auch der Patentschutz wirft Fragen auf, weil sich Sequenzen alleine nicht patentieren lassen. „Patentiert wird immer nur die Anwendung von Sequenzen, also Herstellungsverfahren, Modifikationen oder innovative Applikationen“, erläutert von Reumont.
Larissa Tetsch
Bild: Björn von Reumont
Dieser stark gekürzte Text erschien zuerst in Laborjournal 6/2022. Im ausführlichen Artikel berichtet Björn von Reumont außerdem über Remipeden, giftige Krebse aus Unterwasserhöhlen, und Schlangenforscher Maik Damm erzählt, wie er die Giftdrüse einer Kobra aus dem Tierpark Berlin per bildgebender MALDI-Massenspektrometrie untersucht.
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