Autor: Heinz Scholz, Wissenschaftspublizist, Schopfheim D

Chemiker und Mikrobiologen der Universität Tübingen ist es gelungen ein Zuckermolekül mit Hilfe von Cyanobakterien zu gewinnen. In Experimenten wiesen die Forscher nach, dass Pflanzen und Mikroorganismen durch diesen Stoff gehemmt werden und für menschliche und tierische Zellen ungefährlich ist. Das Zuckermolekül könnte eine Alternative für das umstrittene Unkrautvernichtungsmittel Glyphosat sein.

Da mich das Thema sehr interessiert, schrieb ich die Pressereferentin Antje Karbe von der Hochschulkommunikation der Universität Tübingen an. Sie übermittelte mir eine Pressemitteilung und genehmigte mir auch die Publikation diverser Fotos von Dr. Klaus Brilisauer. Dafür herzlichen Dank.

Die gemeinsame Studie wurde unter Leitung von Dr. Klaus Brilisauer, Professorin Stephanie Grond (Institut für Organische Chemie) sowie Professor Karl Forchhammer (Institut für Mikrobiologie und Infektionsmedizin) durchgeführt. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Communications publiziert.

Erklärung der Wirkung
Das Zuckermolekül hat den wissenschaftlichen Namen „7-desoxy-Sedoheptulose“ (7dSh). Es hemmt das Wachstum verschiedener Pflanzen und Mikroorganismen, wie z.B. Bakterien und Hefen. Die Wirksamkeit wird so erklärt: Die Substanz blockiert ein Enzym des sogenannten Shikimatwegs, eines Stoffwechselweges, der nur in Mikroorganismen und Pflanzen vorkommt. Die Wissenschaftler stufen den Wirkstoff für Menschen und Tiere als unschädlich ein. Dies wurde in ersten Versuchen schon bestätigt.

Gewinnung aus Bakterien
Der Zucker wurde aus Kulturen des Süsswasser-Cyanobakteriums Synechococcus elongatus isoliert. Er ist befähigt das Wachstum verwandter Bakterienstämme zu hemmen. Es gelang den Forschern, die Struktur des Naturstoffs zu entschlüsseln. Dazu die Universität Tübingen: „Dank einer neu entwickelten Methode zur Herstellung von 7dSh, einer sogenannten chemoenzymatischen Synthese, konnten umfangreiche Studien zur Aufklärung des molekularen Wirkprinzips durchgeführt werden.“
Dr. Klaus Brilisauer: „Anders als bei Glyphosat handelt es sich bei dem neu entdeckten Desoxy-Zucker um ein reines Naturprodukt, für das eine gute Abbaubarkeit und eine geringe Ökotoxizität erwartet wird.“ Der Forschungsleiter betonte, dass der Stoff eine hervorragende Chance bietet, diesen als natürliches Herbizid einzusetzen.
Für 7dSh sind jedoch noch umfangreiche Langzeitstudien nötig.

Acker-Schmalwand als Testpflanze
Besonders interessierte mich, an welcher Pflanze der Desoxy-Zucker getestet wurde. Es ist der Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana). Er wird auch Schotenkresse oder Gänserauke genannt. Die Pflanze ist Modellorganismus in der Genetik und wird als „die Fruchtfliege der Botanik“ bezeichnet.
Die Wirkung von Glyphosat und 7dSh konnte bei Keimlingen des Acker-Schmalwands eindrucksvoll demonstriert werden.
Die Abbildung zeigen Keimlinge der Pflanze nach Auskeimung und 7-tägigem Wachstum. Während die Kontrollgruppe (links) sich normal entwickelte, wurde das Wachstum bei der Gabe von Glyphosat (Abbildung rechts unten) oder 7dSh (Abbildung rechts oben) das Wachstum gehemmt.

Kleines Interview mit Dr. Brilisauer
Dem Studienleiter, Dr. Klaus Brilisauer stellte ich einige Fragen zum Thema. Er hat mir in einer E-Mail vom 05.02.2019 geantwortet. Dafür meinen herzlichen Dank.

Sehen Sie eine Möglichkeit, den Desoxy-Zucker in größeren Mengen herzustellen? 

Dr. Brilisauer: Ja, die chemoenzymatische Synthese der 7dSh erlaubt eine Hochskalierung. Für unsere Forschung benötigen wir bisher jedoch nur geringe Mengen und bewegen uns aktuell im unteren Grammbereich. An sich spricht jedoch nichts gegen deutlich größere Syntheseansätze.

Wie sieht die Ausbeute zurzeit aus? (Menge Cyanobakterien und 7dSh),

Dr. Brilisauer: Die Cyanobakterien selbst produzieren verhältnismäßig wenig 7dSh. Aus diesem Grund haben wir eine Synthese zur Gewinnung der 7dSh entwickelt. Der letzte Schritt dieser Synthese wird von einem Enzym durchgeführt, welches wir aus dem Cyanobakterium isoliert haben. Eine rein chemische Gewinnung der 7dSh wäre nur sehr schwer machbar und sicher nicht kosteneffizient.

Wie lange dürften die Studien dauern und wann ist mit einer Anwendung auf den Feldern zu rechnen?

Die Dauer dieser Studien hängt vom industriellen Interesse an 7dSh
ab. Wir führen in Zusammenarbeit mit dem ZMBP* erste Studien durch, die finale Erprobung auf Wirksamkeit im Feld können wir jedoch ohne Hilfe aus der Industrie nur schwer durchführen. Wir haben als Chemiker und Mikrobiologen hierfür weder die Mittel noch die Expertise.

* Center for Plant Molecular Biology (Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen = ZMBP)

Internet
www.uni-tuebingen.de/aktuell

Publikation
Klaus Brilisauer, Johanna Rapp, Pascal Rath, Anna Schöllhorn, Lisa Bleul, Elisabeth Weiß, Mark Stahl, Stephanie Grond, Karl Forchhammer. Cyanobacterial antimetabolite 7-deoxy-sedoheptulose blocks the shikimate pathway to inhibit the growth of prototrophic organisms. Published in Nature Communications (February 1st, 2019). DOI: 10.1038/s41467-019-08476-8