Der Zucker 7-Desoxy-Sedoheptulose (7dSh) wird von Cyanobakterien gebildet und hemmt den gleichen Stoffwechselweg wie das Breitbandherbizid Glyphosat \u2013 und ist damit ein hervorragender Herbizidanw\u00e4rter. Trotz dieser erstaunlichen Gemeinsamkeit geht Mikrobiologe und Entdecker Prof. Dr. Karl Forchhammer von deutlichen \u00f6kologischen Vorteilen des Zuckers aus. Welche das sind, und welche Schwierigkeiten auf dem Weg zur Isolation des Zuckermolek\u00fcls gemeistert werden mussten, erz\u00e4hlte er im Gespr\u00e4ch mit Rebecca Debo.<\/p>\n
Die Ver\u00f6ffentlichung Ihrer Entdeckung hat damals, im April 2019, hohe Wellen geschlagen. Hatten Sie mit diesem gro\u00dfen medialen Echo gerechnet?<\/p>\n
Forchhammer: Nein, \u00fcberhaupt nicht, wir waren v\u00f6llig \u00fcberrascht. In der Grundlagenforschung habe ich schon viel bedeutendere Entdeckungen gemacht, f\u00fcr die hat sich kaum jemand interessiert. Und pl\u00f6tzlich wird aus einem Nebenprojekt das gro\u00dfe Ding. Im Nachgang wurde mir dann klar, warum wir so viel Aufmerksamkeit bekamen. Zum Zeitpunkt der Meldung war das Thema Glyphosat unheimlich stark in der Presse vertreten: Bayer hatte gerade Monsanto \u00fcbernommen, und die weitere Zulassung von Glyphosat war ja auch schon in der Diskussion.<\/p>\n
Dazu kommt, dass es keine Alternativen gibt. Glyphosat wirkt einfach unheimlich gut \u2013 w\u00e4ren da nicht diese Nebenwirkungen, vor allem f\u00fcr die \u00d6kologie. Glyphosat geht an seinem eigenen Erfolg zugrunde, weil es im \u00dcberma\u00df verwendet wird. Selbst wenn es vorwiegend abgebaut werden w\u00fcrde, bleiben nicht abbaubare Nebenprodukte in der Umwelt zur\u00fcck. Das kann man bei den Mengen, die ausgebracht werden, gar nicht verhindern. In dieser Diskussion sah unsere Entdeckung so aus, als b\u00f6ten wir einen Ausweg aus dieser Sackgasse.<\/p>\n
Ihre Entdeckung, der Zucker 7-Desoxy-Sedoheptulose (7dSh), ist ein Naturstoff. Kommt es h\u00e4ufig vor, dass man Naturstoffe mit einem solchen Anwendungspotenzial findet?<\/p>\n
Forchhammer: Nein, das kommt nicht h\u00e4ufig vor. So etwas ist ein Zufallsfund, mit dem niemand gerechnet hatte. Es ist heute \u00fcberhaupt sehr schwierig, noch neue Substanzen zu finden. Beinahe alle Substanzen, die entdeckt werden, sind schon einmal beschrieben worden. Auch unsere Substanz wurde bereits Anfang der 1970er Jahre von einer japanischen Arbeitsgruppe beschrieben. Damals wusste man noch nicht, wof\u00fcr sie gut ist. Wir haben nun zeigen k\u00f6nnen, dass die Substanz eine hemmende Wirkung auf andere Cyanobakterien hat und das Auskeimen von Arabidopsis-Samen verhindert.<\/p>\n
Bez\u00fcglich der Entdeckung an sich: Wie genau hat die Isolation des Zuckers funktioniert, und was war dabei die gr\u00f6\u00dfte Herausforderung?<\/p>\n
Forchhammer: Die klassischen Arbeitsprotokolle sind f\u00fcr die Isolation von eher hydrophoben Substanzen geeignet. Wir hatten es aber mit einer unbekannten Substanz zu tun, die immer auf der S\u00e4ule durchrauschte. Dann kamen wir darauf, dass es sich vielleicht um eine polare Substanz handeln k\u00f6nnte. Mit geeigneten Methoden hat sich Klaus Brilisauer (ehemaliger Doktorand von Prof. Forchhammer, Anm. d. Red.) langsam vorarbeiten k\u00f6nnen und erhielt aktive Fraktionen, die immer weniger Molek\u00fcle enthielten. Um zu pr\u00fcfen, wie komplex die Mischung noch ist, kann eine aktive Fraktion zum Beispiel durch eine Massenspektroskopie analysiert werden. Das Ziel ist, die Mischung so weit aufzureinigen, bis sie nur noch eine Substanz enth\u00e4lt. Dieser Prozess hat fast zwei Jahre gedauert und war eigentlich der schwierigste Teil.<\/p>\n
Anschlie\u00dfend ging es darum, aus der Masse eine Molek\u00fclformel zu bekommen. Dazu nutzt man die Methode des NMR (Kernspinresonanzspektroskopie, Anm. d. Red.). Anhand von NMR-Spektren konnte unsere Partnerin aus der Organischen Chemie, Frau Prof. Grond, bestimmen, um welches Molek\u00fcl es sich handelt.<\/p>\n
Wie haben Sie die Wirkweise des Zuckers bestimmen k\u00f6nnen?<\/p>\n
Forchhammer: Wir wussten nun, dass es sich um einen Zucker handelt, und dass dieser einige Cyanobakterien hemmt. Aber wir hatten noch keine Ahnung, \u00fcber welchen Mechanismus der Zucker hemmt, oder dass er das Potenzial eines Herbizids hat. Um den genauen Wirkort des Zuckers herauszufinden, verglichen wir die Metabolite (in einer Zelle durch Stoffwechselvorg\u00e4nge gebildete Zwischenstufen oder Abbauprodukte, Anm. d. Red.) von mit dem Zucker behandelten und nicht behandelten Cyanobakterien und machten eine sogenannte nicht-gezielte metabolomische Analyse. Dabei werden s\u00e4mtliche Metabolite analysiert und verglichen. Es wurden nur die Peaks beachtet, die sich in behandelten und unbehandelten Zellen unterscheiden. Dabei kam heraus, dass sich ein Molek\u00fcl am Anfang des Shikimat-Wegs massiv akkumuliert, in dem Stoffwechselweg, der zu aromatischen Aminos\u00e4uren f\u00fchrt. Ab da war dann klar: Wenn sich dieses Molek\u00fcl anh\u00e4uft, dann muss das unser Target sein.<\/p>\n
Als ich h\u00f6rte, dass diese Substanz den Shikimat-Weg hemmt, war mir sofort klar, dass wir wahrscheinlich eine Substanz mit wertvoller herbizider Aktivit\u00e4t gefunden hatten. Denn Glyphosat hemmt denselben Stoffwechselweg, nur an einer etwas anderen Stelle.
\nTrotzdem sprechen Sie schon jetzt von einem gro\u00dfen Vorteil des Zuckers gegen\u00fcber Glyphosat. Worin genau besteht f\u00fcr Sie dieser Vorteil?<\/p>\n
Forchhammer: Unser Zucker ist ein Naturstoff, der vermutlich seit Millionen Jahren gebildet wird. Andere Organismen sind seitdem mit diesem Stoff in der Umwelt konfrontiert. Und es gibt praktisch keinen Naturstoff, der nicht abbaubar ist. Schon aus Gr\u00fcnden der Plausibilit\u00e4t muss es daher viele Bodenbakterien geben, die diese Substanz im Nu metabolisieren k\u00f6nnen. Und auch in unseren ersten Vorstudien sieht es so aus, als ob die Substanz relativ schnell im Boden verschwindet.<\/p>\n
Wir haben auch eine Vergleichsstudie mit Prof. Dr. K\u00f6hler (Institut f\u00fcr \u00d6kologie und Evolution, Universit\u00e4t T\u00fcbingen) gemacht, in der die Wirkung von Glyphosat und 7dSh auf Zebrafischembryonen verglichen wurde \u2013 hier konnte keinerlei negativer Effekt unseres Zuckers gemessen werden.<\/p>\n
Glyphosat hemmt, ebenso wie Ihr Zucker, den Shikimatweg, der ja nicht nur in Bakterien und Pflanzen vorhanden ist, sondern auch in Archaeen, Protozoen sowie vielen Algen und Pilzen. Schon aus diesem Grund hat Glyphosat auch einen gro\u00dfen Einfluss auf die Biodiversit\u00e4t. W\u00e4re dieser Effekt auch bei Ihrem Zucker denkbar?<\/p>\n
Forchhammer: Glyphosat hat aufgrund einer relativ langen Bodenverweildauer diesen starken Einfluss auf die Biodiversit\u00e4t. Je l\u00e4nger die Substanz im Boden verweilt, umso st\u00e4rker kann dieser Effekt auf die Biodiversit\u00e4t sein. Da unser Zucker mutma\u00dflich eine kurze Bodenverweildauer aufweist, k\u00f6nnte ich mir vorstellen, dass der Effekt auf die Biodiversit\u00e4t wesentlich milder ausf\u00e4llt.<\/p>\n
Sie stellen den Zucker \u00fcber eine chemoenzymatische Synthese her. Was genau versteht man darunter?<\/p>\n
Forchhammer: Bei einer chemoenzymatischen Synthese werden chemische Reaktionen mit enzymatischen Reaktionen gekoppelt. Das Problem mit Zuckermolek\u00fclen ist, dass man sie rein chemisch gar nicht in Reinform herstellen kann. Zucker sind aufgrund ihrer Stereochemie sehr komplex. Die einzelnen anh\u00e4ngenden Gruppen k\u00f6nnen in verschiedene Richtung abstehen; vergleichbar mit \u00c4sten, die aus einem Baumstamm ragen \u2013 und das beeinflusst die biologische Wirkung. Wenn nur eine einzige Gruppe eine falsche Stereochemie aufweist, verliert der Zucker seine Wirkung. Das haben wir auch bei unserer Substanz getestet und verschiedene Stereoisomere von 7dSh hergestellt. Der Zucker verlor daraufhin seine herbizide Wirkung.<\/p>\n
Wir haben mittlerweile einen Prozess, mit dem wir 7dSh herstellen k\u00f6nnen. F\u00fcr die Synthese werden zwei Vorstufen ben\u00f6tigt, ein biologisch hergestellter C5-Zucker und chemisch hergestelltes Hydroxypyruvat. Eine Transketolase stellt im letzten Reaktionsschritt die Endsubstanz her.<\/p>\n
Welche n\u00e4chsten Schritte stehen bei der Entwicklung vom Zucker zum Herbizid nun an?<\/p>\n
Forchhammer: Bisher wissen wir, dass die Wirkung auf auskeimende Pflanzensamen besonders gro\u00df ist, was vermutlich an der effizienten Zuckeraufnahme der Keimlinge liegt. Die Schwierigkeit besteht darin, die Aufnahme der Substanz in eine weiter entwickelte Pflanze zu bewirken. Dazu gab es bereits einige Versuche, aber noch keinen gro\u00dfen Durchbruch. Deshalb haben wir ein Folgeprojekt mit weiteren Kooperationspartnern beim BMBF beantragt, in dem es um genau diese Weiterentwicklung des Zuckers geht.<\/p>\n
Die Seite der Wirkung ist gekl\u00e4rt. Jetzt geht es darum, wie man aus dem Zucker ein Herbizid macht. Denn der Zucker ist noch kein Herbizid: Wenn man den Zucker von au\u00dfen einfach auf eine Pflanze gibt, muss das noch keine Hemmwirkung entfalten.<\/p>\n
Wie sch\u00e4tzen Sie die wirtschaftliche Zukunft des Zuckers ein?<\/p>\n
Forchhammer: Die Herstellungsweise ist nat\u00fcrlich nicht billig, und das ist momentan eine gro\u00dfe H\u00fcrde f\u00fcr die Industrie. Aber wenn wir glauben, dass die Substanz n\u00fctzlich ist und einen Beitrag zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft leisten kann, dann ist es eigentlich in unser aller Interesse, den Zucker zur Anwendung zu bringen. Das geht aber nur mit einen Industriepartner, der auch mitzieht.
\nVielen Dank f\u00fcr das Gespr\u00e4ch.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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