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Forschung leicht erklärt

Spezielle Fragen am IPB – Forschung in vier Abteilungen

Am Institut werden die Fragen rund um die Pflanzenbiochemie wissenschaftlichen Abteilungen erforscht.
Zu den Forschungshighlights geht es hier.

Was heißt Pflanzenbiochemie?

<b>Abb. 1:</b> Die Anpassung an widrige Umstände wird oft von den Produkten des Sekundärstoffwechsels vollzogen Abb. 1: Die Anpassung an widrige Umstände wird oft von den Produkten des Sekundärstoffwechsels vollzogen

Pflanzen sind wie alle lebenden Organismen aus molekularen Bausteinen aufgebaut, die miteinander in Wechselwirkung treten, um die Strukturen des pflanzlichen Gewebes zu bilden und am Leben zu erhalten. Diese Wechselwirkung der Moleküle beschreibt eine Umwandlung von Stoffen in andere Stoffe - einen Stoffwechsel. Genau mit jenem Stoffwechsel, mit der Erzeugung und Umwandlung von pflanzlichen Stoffen, befasst sich der noch relativ junge Forschungszweig der Pflanzenbiochemie.

Pflanzenforscher unterscheiden hierbei zwischen dem pflanzlichen Primär- und dem Sekundärstoffwechsel. Alle grundlegenden Wachstums- und Entwicklungsprozesse werden durch die Produkte des Primärstoffwechsels gesteuert. Darüber hinaus bilden Pflanzen eine Vielzahl von biologisch aktiven Stoffen, die es ihnen ermöglicht, mit ihrer Umwelt zu kommunizieren. Denn Pflanzen sind an ihren Standort gebunden und können nicht weglaufen; deshalb müssen sie sich besonders gut an sich ändernde Umweltbedingungen anpassen. Dies tun sie auf chemischem Wege: mit der Synthese­ von Produkten des Sekundärstoffwechsels.

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Sekundäre Pflanzenstoffe – große Vielfalt, große Wirkung

Abb. 2
Abb. 2

Zu den Sekundären Pflanzenstoffen gehören Vitamine, Antibiotika, Farb-, Geruchs- und Geschmacksstoffe sowie viele weitere hochpotente Wirkstoffe, darunter zahlreiche Substanzen mit ausgeprägter Giftwirkung. Man vermutet, dass die sekundären Pflanzenstoffe generell der Steigerung der pflanzlichen Fitness dienen. Sie spielen zum Beispiel eine wichtige Rolle bei der Abwehr von Fraßfeinden und Krankheitserregern. Von einigen Stoffen weiß man auch, dass sie Bestäubungsinsekten anlocken; andere schützen den pflanzlichen Organismus vor UV-Licht.

Die meisten Naturstoffe sind noch nicht erforscht

Die Zahl aller in der Natur vorkommenden pflanzlichen Sekundärstoffe ist groß. Nur ein Bruchteil von ihnen - etwa 200.000 - ist bisher isoliert und beschrieben worden. Im chemischen Aufbau sind sie von enormer struktureller Vielfalt; ihre Synthesewege innerhalb der Pflanzen sind meist komplex verzweigt und das Nachkochen einiger dieser Substanzen im Reagenzglas ist für Chemiker noch heute eine Herausforderung. Bei den meisten sekundären Pflanzenstoffen weiß man noch nicht, welchen Zweck sie für den Organismus erfüllen. Das Herausfinden der biologischen Funktion bestimmter Sekundärstoffe und ihrer Bedeutung für die Pflanze wird auch in Zukunft Heerscharen von Wissenschaftlern beschäftigen.

Die Biosynthese des Morphins

<b>Abb. 3</b> Abb. 3

Innerhalb der Schlafmohnpflanze setzt sich aus mindestens 17 aufeinanderfolgenden Reaktionsschritten zusammen. Inzwischen hat man etwa 20 verschiedene Syntheseverfahren für die Produktion von Morphin entwickelt. Keine dieser Totalsynthesen ist jedoch so effektiv, dass sich ihre Etablierung im industriellen Großmaßstab lohnen würde. Aufgrund der vielen Syntheseschritte scheitern alle an der geringen Ausbeute. Morphin wird deshalb noch immer aus Schlafmohn gewonnen, der zu diesem Zweck legal in Australien, Indien und der Türkei angebaut wird.

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Medizinische Wirkstoffe seit Jahrtausenden

<b>Abb. 4: </b>Der austretende Milchsaft einer angeritzten Schlafmohnkapsel verfärbt sich nach dem Trocknen braun. Dieses sogenannte Rohopium enthält viele verschiedene Alkaloide, von denen Morphin und  Codein die wichtigsten Vertreter sind. Abb. 4: Der austretende Milchsaft einer angeritzten Schlafmohnkapsel verfärbt sich nach dem Trocknen braun. Dieses sogenannte Rohopium enthält viele verschiedene Alkaloide, von denen Morphin und Codein die wichtigsten Vertreter sind.

Für den Menschen sind die pflanzlichen Naturstoffe in Form der Pflanzen, aus denen sie stammen ein prägender Bestandteil seiner Kulturgeschichte. Als Kräutersude und -extrakte gegen alle erdenklichen Krankheiten, aber auch als Gifte und Rauschmittel begleiten sie die Menschheit seit Jahrtausenden. Die bekanntesten Vertreter der pharmazeutisch genutzten Sekundärstoffe gehören zur großen Klasse der Alkaloide.

  • Opium, der getrocknete Rohextrakt aus dem austretenden Milchsaft von angeritzten Schlafmohnkapseln, wurde vermutlich schon von den Sumerern im 3. Jahrtausend vor Christus als Rauschmittel zu rituellen Zwecken verwendet. Das in ihm enthaltene Alkaloid Morphin ist noch heute das stärkste natürliche Schmerz- und Beruhigungsmittel. Die nach Morpheus, dem griechischen Gott des Schlafes benannte Substanz wird bis zum heutigen Tag aus Schlafmohnpflanzen (Papaver somniferum) gewonnen.
  • Coniin, ein Alkaloid aus dem gefleckten Schierling (Conium maculatum), sorgte im Jahre 399 vor Christus für den qualvollen Tod des griechischen Philosophen Sokrates.
  • Atropin, das hochgiftige Alkaloid der Tollkirsche (Atropa belladonna), machte im Mittelalter aus einer Frau eine schöne, aber zeitweilig schwachsichtige Frau. In die Augen geträufelt, bewirkt die Substanz eine Erweiterung der Pupillen. Dieser Effekt wird noch heute von Augenärzten erwünscht und auch hervorgerufen. Der Verzehr der schwarzen Beeren hingegen kann eine verhängnisvolle Begegnung mit Atropa zur Folge haben, jener griechischen Schicksalsgöttin, die den Faden des Lebens zerschneidet.
  • Koffein aus Coffea arabica und Nikotin aus Nicotiana tabacum prägten die Suchtgeschichte der Menschheit ebenso wie Kokain aus Erythroxylon coca.

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Die Entdeckung der Phytochemikalien

In der Mitte des 19. Jahrhunderts wurde das Wissen um die heilsamen und giftigen Eigenschaften von bestimmten Pflanzen aus dem kollektiven Unterbewusstsein des reinen Sammelns und Beschreibens auf die Stufe des bewussten Identifizierens und Trennens ihrer Inhaltsstoffe gehoben. Es waren zunächst die Chemiker, die die Erforschung der sogenannten Phytochemikalien vorantrieben. Ihre Studien führten zur Entwicklung neuer Trenn- und Reinigungsmethoden sowie zu neuen Erkenntnissen über Strukturaufklärung und Synthese und letztendlich zu den Grundlagen der heutigen Organischen Chemie. Dabei konzentrierte man sich nicht mehr nur auf die Charakterisierung der medizinisch wirksamen Naturstoffe, sondern auch auf jene, die eine Nutzbarmachung als Farbstoffe, Fasern, Klebstoffe, Öle, Wachse, Gewürzstoffe, Parfüme und Drogen versprachen.

Die Geburt eines neuen Forschungszweiges

<b>Abb. 5</b> Abb. 5

Die Erkenntnis, dass Myriaden von Naturstoffen  biologische Aktivitäten besitzen, führte bei Biologen und Chemikern zu neuen Fragestellungen und dem Drang, dieses feinaustarierte pflanzliche Synthesenetzwerk besser zu verstehen. Neben dem zentralen Aspekt der Nützlichkeit der Sekundärstoffe für die Pflanze selbst, interessierten sie vor allem die Mechanismen ihrer Produktion: Welche biochemischen und genetischen Werkzeuge machen Pflanzen zu solch leistungsfähigen Stoffproduzenten?

Aus welchen Ausgangsstoffen werden mit welchen Enzymen welche Endprodukte hergestellt? Erfolgt die Synthese von Wirkstoffen generell oder wird sie bei Bedarf, z.B. in Stresssituationen,  angeschaltet? Welche Signale von außen und von innen bewirken die Aktivierung und Regulierung von bestimmten Synthesewegen? Aus diesen und ähnlichen Fragestellungen erwuchs vor über 50 Jahren hier in Halle das Institut für Biochemie der Pflanzen. Es war der erste seiner Art in ganz Deutschland. 

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Kurt Mothes holt Experten an einen Tisch

Abb. 6: Professor Kurt Mothes (1900 - 1983) gründete 1958 das Institut für Biochemie der Pflanzen (später Institut für Pflanzenbiochemie, IPB)
Abb. 6: Professor Kurt Mothes (1900 - 1983) gründete 1958 das Institut für Biochemie der Pflanzen (später Institut für Pflanzenbiochemie, IPB)

Zur Bearbeitung der aufgeworfenen Fragen holte Institutsgründer Kurt Mothes Experten aus allen relevanten Fachgebieten an einen Tisch: Biologen, Chemiker, Biochemiker und Pharmazeuten. Das Institut profitiert noch heute von seinem interdisziplinären Ansatz, das Spezialwissen aus verschiedenen Richtungen unter einem Dach zu vereinen und den Synergieeffekt der räumlichen Nähe zu nutzen. Die Faszination am Sekundärstoffwechsel und an der Vielfalt pflanzlicher Naturstoffe ist bis heute eine Triebfeder der hiesigen Forschungsarbeiten. Alle Prozesse, die Pflanzen dazu befähigen seit Jahrmillionen zu überleben, sind auf ihre enorme Syntheseleistung zurückzuführen. Dennoch führte die Erforschung der Biosynthese von Naturstoffen immer auch in angrenzende Spezialgebiete des Primärstoffwechsels und der Pflanzenphysiologie.

Allgemeine Fragen der Grundlagenforschung

<b>Abb. 7:</b> Schnitte und Gewebepräparate gehören zu den Standardmethoden am Institut Abb. 7: Schnitte und Gewebepräparate gehören zu den Standardmethoden am Institut
  • Mit welchen Wirkstoffen wehren sich Pflanzen gegen Krankheitserreger? – war zum Beispiel ein zentrales Thema der Stressforschung.
  • Fragen nach dem genauen Syntheseort von bestimmten Sekundärstoffen führten zur Weiterentwicklung von Färbe- und Mikroskopiermethoden der Zellbiologie.
  • Eng damit verknüpft war die Speicherproblematik: Da manche Wirkstoffe für die Pflanzen selbst giftig sind, müssen sie in abgegrenzten Räumen wie z. B. in Milchsaftröhren oder Vakuolen gespeichert werden. Wird das genetische Programm für die Ausbildung der spezialisierten Speicherzellen vor oder zur gleichen Zeit mit der Synthese der zu speichernden Stoffe aktiviert? Die Bearbeitung dieser und ähnlicher Fragen rief die Experten der Entwicklungsbiologie auf den Plan.
  • Nicht zuletzt war die Tatsache, dass viele Sekundärstoffe für einzelne Pflanzenfamilien charakteristisch sind, ein wichtiger Ansatz für die Wissenschaftler der Evolutionsbiologie und der Chemotaxonomie, bei der man versuchte, pflanzliche  Verwandschaftsverhältnisse anhand von familien- oder artspezifischen Spektren an Sekundärstoffen zu  klären.

Neben diesen vielfältigen Projekten der Grundlagenforschung wurden die anwendungsorientierten Aspekte der Pflanzenbiochemie am Institut niemals vernachlässigt. So war die Suche nach neuen pflanzlichen und pilzlichen Inhaltsstoffen, die als Leitstrukturen für die Entwicklung neuer Medikamente, Antibiotika, Pflanzenschutzmittel und Kosmetika dienen können, von Anfang an ein prägender Pfeiler des hiesigen Forschungsprofils. Diese wichtige Rolle der Naturstoffchemie ist auch in der heutigen Zeit ungebrochen. Die Bekämpfung von multiresistenten Bakterienstämmen, die mit der Gabe von althergebrachten modifizierten Antibiotika nicht mehr zu bewältigen ist, sei nur ein Beispiel für heute anstehende Herausforderungen. Die Lösung des Problems ist wahrscheinlich schon vorhanden, nur eben noch nicht entdeckt. Sie muss erst aus dem Meer der unbekannten Naturstoffe gefischt werden. Im Zeitalter der Datentechnik hat man damit begonnen, die natürlichen Ressourcen systematisch zu durchforsten.

Weitere Ausführungen zur Pflanzenbiochemie und zur Geschichte des Institutes finden Sie in unserer Festschrift „Vom IBP zum IPB – 50 Jahre Pflanzenbiochemie in Halle“

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Diese Seite wurde zuletzt am 14.02.2013 geändert.

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