17.10.2015

BiotechnikDer Schatz im Silberfisch

Antibiotika aus Fliegenblut, Wundsalben aus Madenspucke, Enzyme aus Käferkotze – Forscher entdecken den Wert der Insekten für Medizin und Ackerbau.
Des Totengräberkäfers Geschäft ist Leichenfledderei. Immer wenn etwas stirbt, im Wald oder auf der Flur, krabbelt er heran, gelockt vom Odem des Todes.
Aus einigen Kilometer Entfernung kann das kaum zwei Zentimeter lange Insekt Witterung aufnehmen. Hat es ein totes Tier gefunden, einen Maulwurf etwa oder ein Vogeljunges, fängt es an zu buddeln und wird nicht müde, bis das Aas unter der Erde ist. Dort, in dieser Grabeshöhle, betupft der Käfer den Korpus mit Sekreten gegen die Verwesung. Ein anderer Saft verflüssigt den Kadaver dann zu Babybrei: Der Totengräber füttert seine Larven mit der stinkenden Fleischsoße.
Appetitlich klingt das nicht. Doch Forscher sind begeistert von dem morbiden Kerbtier. Denn was der Totengräber mit seinen Körpersäften schafft, würde sich der Mensch gern zunutze machen.
"Wie gelingt es einem so kleinen Käfer, eine komplette Maus zu konservieren und zu verflüssigen?", fragt der Gießener Insektenforscher Andreas Vilcinskas, 51. "Das ist, als würde ich Sie anspucken und Sie lösten sich mit Haut und Haaren auf!"
Der Totengräberkäfer sei ganz offenbar dazu in der Lage, extrem wirkungsvolle Konservierungsstoffe und Enzyme zu produzieren, sagt Vilcinskas. Und noch mehr erfreut den Forscher: "Ein solcher Kadaverbewohner muss eine tolle Immunabwehr haben." Die einst, so die Hoffnung, auch dem Menschen Gesundheit schenken kann.
Vilcinskas ist Leiter des Loewe Zentrums für Insektenbiotechnologie & Bioressourcen in Gießen. Krabbeltiere sind seine Leidenschaft. Doch nicht Antennenlänge oder Gliederzahl interessieren den Professor – er begeistert sich für die inneren Werte der Tiere. "Jedes einzelne Insekt ist ein prall gefüllter Wirkstoffschrank", sagt der Entomologe. Die Sechsbeiner seien die erfolgreichste Tiergruppe auf Erden, "und ich bin überzeugt, dass ihre Vielfalt sich auch in den Molekülen widerspiegelt, die sie produzieren".
Vilcinskas glaubt, Wirkstoffe aus den kleinen Körpern gewinnen zu können, die Krankheitserreger bekämpfen oder Getränke haltbar machen; er hofft auf Medikamente gegen Malaria, Krebs oder Aids, auf Pestizide und biochemische Helferlein für die Lebensmittelbranche. Auch dringend benötigte neue Antibiotika sollen die Krabbeltiere der Menschheit liefern.
"Gelbe Biotechnologie" nennt der Professor seine Disziplin – weil die Körperflüssigkeit der Insekten, die sogenannte Hämolymphe, häufig gelb ist. Vilcinskas will dem Forschungsfeld zum Durchbruch verhelfen. 50 Millionen Euro hat er für die nächsten sechs Jahre eingeworben, unter anderem von dem Pharmakonzern Sanofi und dem Chemieriesen Dow Chemical.
Auf einer Wiese direkt gegenüber Vilcinskas' Büro an der Justus-Liebig-Universität wird im kommenden Jahr zudem mit dem Bau des Fraunhofer-Instituts für Bioressourcen begonnen. 30 Millionen Euro haben Land und Bund zugesagt.
Ein neuer deutscher Wissenschaftsverbund blüht auf. Und Vilcinskas ist deren hauptamtlicher Visionär. "Von Insekten lernen heißt siegen lernen", lautet der Wahlspruch des Biologen.
Insekten werden seit Jahrtausenden heilkundlich genutzt. Die chinesische Medizin allein verzeichnet 1700 Arzneien aus etwa 300 Insektenarten. Die Fäden des Seidenspinners sollen gegen Krämpfe und Blähungen helfen. Honig befördert die Wundheilung, Bienengift wird in der Naturheilkunde gegen Rückenschmerzen und Rheuma eingesetzt, und mit getrockneten Ölkäfern bekämpften Heiler einst Warzen und Krebs.
Welche Wunderstoffe wirken da in Insektenblut und Käferspucke? Was für Schätze sind in Silberfischchen und Stabheuschrecke vielleicht noch zu finden? Biochemiker wollen es genauer wissen. Seit Ende der Achtzigerjahre versucht beispielsweise die Regierung Costa Ricas, die außergewöhnliche Biodiversität des Tropenlandes für die Wirkstoffentwicklung zu nutzen. Doch trotz der Unterstützung durch große Pharmafirmen ist die Ausbeute des Krabbeltier-Screenings bislang überschaubar.
Sogar ein ausgewiesener Experte auf dem Gebiet, der Biologe Jules Hoffmann vom Nationalen Forschungszentrum CNRS in Straßburg, scheiterte bei dem Versuch, neue Wirkstoffe aus Insekten auf den Markt zu bringen. Der später mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Franzose initiierte 1999 die Gründung der Firma Entomed. Die Experten analysierten Tausende Insektenextrakte aus aller Welt. Doch bevor klinische Tests beginnen konnten, ging Entomed das Geld aus.
"Die Erwartungen waren damals einfach zu hoch", sagt Vilcinskas. Mit einem neuen Ansatz will er nun mehr erreichen. Ihm hilft, dass es Biochemikern heute besser denn je gelingt, Wirkmoleküle in den winzigen Insektenkörpern aufzuspüren.
Vor allem aber macht sich Vilcinskas seine eigene Expertise als Entomologe zunutze. Lange suchten Forscher ziemlich wahllos im Heer der Insekten nach Molekülen mit Wirkstoffpotenzial. Vilcinskas jedoch ist überzeugt, die Chance auf Funde erhöhen zu können, wenn er zunächst Lebensweise und Evolution der Tiere studiert.
Wo kommt eine Art vor? Vor welchen Herausforderungen steht sie? Die Antworten auf solche Fragen liefern oft wertvolle Hinweise. Denn die Jackpot-Moleküle, so Vilcinskas' Kalkül, steckten in Insekten, die sich in feindseliger oder gar giftiger Umgebung behaupten müssten. Wenn sie zum Beispiel in Gülle wohnen oder sich, wie der Totengräber, gleich an Leichen laben. Die dort dräuenden Keime lassen sich nur mit einer schlagkräftigen Immunabwehr überleben.
Im Institut in Gießen liegen die Versuchstiere in Plastikdosen bereit. Die sackförmigen Rattenschwanzlarven der Mistbiene etwa leben untergetaucht in Jauchegruben. Nur ein bis zu zehn Zentimeter langer Schnorchel versorgt sie mit Luft. 19 antibakteriell wirksame Substanzen haben die Forscher in der Hämolymphe der Güllebewohner gefunden.
Oder die feisten Maden der Goldfliege: Sie sind ein Paradebeispiel für die Strategie der Wirkstofffahnder.
Die segensreiche Wirkung der blässlichen Fliegenlarven notierte erstmals der französische Feldarzt Baron Dominique Larrey vor rund 200 Jahren. Verwundete, die tagelang ohne medizinische Versorgung zwischen den Fronten liegen blieben, überlebten eher als jene, die direkt ins Lazarett kamen. Grund war das Gewimmel in den Wunden der Zurückgelassenen. Die Maden, so zeigte sich bald, produzieren Substanzen, die Infektionen lindern. Zudem fressen sie das abgestorbene Gewebe und säubern so die Wunde.
In Krankenhäusern werden die Tierchen bei schwer heilenden Wunden eingesetzt. "Mit den Maden läuft die Heilung bis zu 18-mal schneller ab", sagt Vilcinskas. "Der Madenspeichel tötet sogar Bakterien, die gegen viele Antibiotika resistent sind."
Die Gießener Forscher analysierten die Madensekrete deshalb genauer. Dafür injizierten sie den weißen Würmchen zunächst eine geballte Ladung Bakterien, um die Immunabwehr der Tiere auf Hochtouren zu bringen. Dann untersuchten sie, welche Abschnitte des Erbguts in den Madenzellen für die Mikrobenbekämpfung hochreguliert wurden. Fast 50 Madengene identifizierten die Forscher, mit deren Hilfe antimikrobiell wirkende Stoffe hergestellt werden. "Ihre besten Waffen produzieren die Tiere, wenn sie um ihr Leben kämpfen", sagt Vilcinskas.
Nun wird untersucht, wie diese Substanzen auf bestimmte Krankheitserreger des Menschen wirken. Vielversprechende Stoffe sollen anschließend in Bioreaktoren hergestellt werden. Wundsalben oder mit den Wirksubstanzen getränkte Pflaster will Vilcinskas dann mit Industriepartnern entwickeln.
Bei den Abwehrstoffen der Goldfliegenmade handelt es sich um sogenannte Antimikrobielle Peptide, die sich in den Sekreten vieler Insekten finden. Die kleinen Eiweißstoffe sind ausgesprochen wirkmächtig. Blockadeschiffen gleich, können sie an einer Vielzahl Krankheitserreger andocken und deren Zerstörungswerk verhindern.
Forscher haben inzwischen Insektenpeptide gefunden, die Aids- und Herpesviren unschädlich machen. Und Stoffe wie Melittin aus dem Gift der Biene lösen die Zellmembranen von Bakterien auf und wirken damit antibiotisch.
Aber es gibt ein Problem: Peptide sind für herkömmliche Medikamente ungeeignet. Die Eiweißmoleküle lassen sich nicht via Verdauungstrakt ins Blut lotsen, weil sie sofort zerlegt werden. Allenfalls Wundsalben und andere äußerliche Anwendungen sind bislang denkbar.
Doch das Arsenal der Insekten ist mit den Peptiden noch lange nicht erschöpft. In Mottenblut, Madenspeichel und Marienkäferkotze finden sich viele Stoffe, die keine Eiweiße sind und deshalb einfacher in Tabletten verpackt werden könnten. Selbst im winzigen Insektendarm werden die Biologen fündig. Wie auch bei Säugetieren leben dort allerlei Mikroorganismen, die eine überbordende Vielfalt an Wirksubstanzen herstellen.
Eines von Vilcinskas' Lieblingstierchen ist der Asiatische Marienkäfer, ein Geschöpf von aggressiver Natur. Seit Jahrzehnten wird es in Gewächshäusern und Obstgärten zur biologischen Bekämpfung von Blattläusen eingesetzt. Von dort aus haben die Krabbler aus Fernost einen triumphalen Zug durch Europa angetreten – und unterwegs den heimischen Siebenpunkt-Marienkäfer ruchlos verdrängt.
Vilcinskas wird sofort neugierig, wenn er von einem solchen Hansdampf des Insektenreichs hört. Was lässt den Käfer soviel Unbill überleben? Was macht ihn so erfolgreich? Die Forscher haben das Kerbtier getestet: Im fingerbreit mit Wasser gefüllten Rüttelglas ließen sie Exemplare des Marienkäfers zappeln. Dabei gaben die Tiere etwas Hämolymphe ab, ein reflexhafter Verteidigungsmechanismus.
Das Extrakt schickten die Biochemiker durch empfindlichste, eine halbe Million Euro teure Analysegeräte; die detektieren noch die kleinsten organischen Moleküle. Und tatsächlich: Ein Stoff fiel auf. Die Forscher tauften ihn Harmonin.
Allerlei Erregerstämme beträufelten die Wissenschaftler mit der Substanz. Alsbald machten sie eine faszinierende Entdeckung: Harmonin wirkt gegen Tuberkulosebakterien. Vor allem aber tötet die Substanz den gefährlichsten Parasiten der Erde, den Erreger der Malaria.
"Die meisten bisherigen Malariamittel sind nur gegen bestimmte Stadien der Parasiten aktiv", schwärmt Vilcinskas, "Harmonin aber wirkt gegen alle Plasmodium-Erscheinungsformen." Beste Voraussetzungen, um den Stoff zur Arznei gegen die Tropenkrankheit weiterzuentwickeln.
In der Krebsmedizin ist es der Stoff Pederin, der Hoffnungen weckt. Italienische Forscher isolierten ihn aus Kurzflüglern. Die Käferweibchen imprägnieren ihre Eier kurz vor der Ablage mit der Substanz, um den Nachwuchs vor Spinnenfraß zu schützen. Für Mediziner ist bemerkenswert, wie Pederin das Wachstum bestimmter Tumore hemmt. "Pederin greift direkt in den Zellteilungsmechanismus ein", sagt der Biologe Konrad Dettner von der Universität Bayreuth, der den Stoff erforscht hat.
Doch Pederin zeigt exemplarisch auch einige der großen Probleme der Insektenbiotechnologie. Zwar könne die Substanz im Labor synthetisiert werden, berichtet Dettner, jedoch nur in kleinsten Mengen. Pederin wird nicht vom Kurzflügler selbst gebildet, sondern von Bakterien, die im Körper des Tieres leben. Alle Versuche, diese Mikroorganismen außerhalb des Insekts zu züchten, seien bislang gescheitert, sagt Dettner: "Wir schaffen es einfach nicht, genug Pederin für medizinische Tests herzustellen."
Zudem ist die biologische Aktivität des Stoffs kaum zu kontrollieren. Wie viele Hoffnungsträger der Krebsforschung wirkt die Substanz so stark, dass sie auch gesundes Gewebe angreift. Die Forscher versuchen, Pederin chemisch zu entschärfen. Doch bis derlei Labortricks Erfolg haben, können Jahre vergehen.
"Es ist unrealistisch, gleich auf einen neuen Krebswirkstoff oder ein neues Penicillin zu hoffen", sagt Vilcinskas. "Die Entwicklung von Medikamenten dauert leicht 10 bis 15 Jahre." Entmutigen lässt sich der Professor dennoch nicht. Vilcinskas fährt längst mehrgleisig: Er sucht zusätzlich nach Pflanzenschutzmitteln.
Dass Insekten Pestizide herstellen, liegt nahe, erwehren sie sich doch tagtäglich einer Armada von Pilzen, Bakterien und Viren, denen auch Pflanzen ausgesetzt sind. So schleusten die Gießener Forscher versuchsweise die Gensequenz eines Taufliegenpeptids in Gerste ein – und damit eine Resistenz gegen Schlauchpilze, die in der Landwirtschaft jährlich Ernteverluste in Milliardenhöhe verursachen.
Auch der Lebensmittelindustrie könnten Stoffe aus dem Arsenal der Sechsbeiner helfen. Ein Team um den Gießener Lebensmittelchemiker Holger Zorn isolierte aus Bohrkäfern ein Enzym, das den Getreidebestandteil Gluten entschärfen kann. Der Stoff kann, einfach in den Teig gerührt, Baguette und Weizenbrötchen wieder auf den Speiseplan all der Menschen mit Gluten-Unverträglichkeit befördern.
Andreas Vilcinskas öffnet jetzt die letzte Tupperdose seiner Kerbtiersammlung. Zwei Totengräber sind darin verborgen. Der Professor muss erst ein bisschen dunkle Erde zur Seite schieben, bis die schwarzen Krabbler mit den orangegelben Flecken erscheinen.
Sein Team hat die Käfer an einem Waldrand bei Gießen gefangen. Dafür vergraben die Forscher leere Joghurtbecher im Boden. Direkt darüber schichten sie Waldboden; darauf wird eine tote Maus gelegt. Sobald die Totengräber beginnen, die Mäuse zu verbuddeln, sacken sie mit dem Aas direkt in die Falle.
Was dann hinter den Labortüren geschieht, muss dem Laien so profan wie gewöhnungsbedürftig erscheinen. "Ich nehme die Käfer in die Hand, dann drücke ich ein bisschen", erläutert Vilcinskas, "und was rausquillt, analysieren wir." Mehr als 30 interessante Substanzen fanden sich in den Käfersekreten, unter ihnen, wie erwartet, einige höchst wirksame Konservierungsstoffe. Andere Substanzen des Aasfressers bauen organisches Material ab. Sie könnten beispielsweise künftig helfen, Schlachtabfälle zu recyceln.
Auch unbekannte Mikroorganismen beherbergt das Krabbeltier zuhauf. "Wir haben eine total abgefahrene Darmflora gefunden", berichtet Vilcinskas. "Das ist eine richtige Schatztruhe."
Besonders begeistern den Forscher beispielsweise einige neue Hefen der Gattung Yarrowia. Der Gießener Insektenforscher hofft, dass die Einzeller bald als "Arbeitspferde der Biotechnologie" in Fermentern wertvolle Substanzen für die Industrie herstellen.
Um die nützlichen Pilze zu finden, mussten die Biologen allerdings an einen delikaten Ort der Kerbtieranatomie vordringen. "Diese Hefen stammen aus dem Hintern des Totengräbers", sagt Vilcinskas.

Twitter: @philipbethge
Von Philip Bethge

DER SPIEGEL 43/2015
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