Neuland

Hightech-Hüter der Pflanzenwelt

KIT-Wissenschaftler um Professor Peter Nick kämpfen gegen das Pflanzensterben. Das sollte nicht nur Naturschützer interessieren: Seine Ideen haben Einfluss auf Branchen von der Pharmazie bis zum Weinbau.

Wie viele Pflanzenarten jährlich auf der Erde aussterben, ist nicht genau bekannt. Zwar gibt es Studien, wie die „Rote Liste“ der Weltnaturschutzunion, aber die Angaben schwanken und es ist nicht einmal ganz genau klar, wie viele Arten auf der Erde überhaupt existieren. Sicher ist jedoch, dass die Zahl der aussterbenden Pflanzen weit höher liegt als diejenige der neu entdeckten Pflanzen. Einig sind sich Wissenschaftler auch darüber, dass Artensterben an sich noch keine Bedrohung darstellt – es ist ein evolutionärer Prozess, völlig normal im Laufe der Erdgeschichte. Nicht normal ist jedoch die Geschwindigkeit, mit der Arten verschwinden. „Landwirtschaft, Treibhausgase, Trockenheit, Abholzung, Versalzung, Überzüchtung, Pestizide und Schädlinge – es gibt viele Gründe dafür, warum das heutige Aussterben vieler Pflanzen sehr viel schneller abläuft, als es natürlich der Fall wäre“, sagt Peter Nick.

Der Erhalt der Artenvielfalt ist natürlich zunächst ein Wert an sich. Im zweiten Schritt sichert er uns die Lebensgrundlagen. Und die Forschung daran erzeugt neue Wege für Branchen wie die Pharma-, Medizin- und Lebensmitteltechnik.

Prof. Dr. Peter Nick

Der KIT-Experte für Pflanzenzellen setzt sich leidenschaftlich dafür ein, die natürliche Vielfalt, auch Biodiversität genannt, zu erhalten und wirtschaftlich zu nutzen: „Viele Arten sterben sogar, bevor man sie entdeckt hat. Viele zucken mit den Achseln – was hat das mit mir zu tun? Aber wenn wir für unsere Enkel eine lebenswerte Welt hinterlassen möchten, brauchen wir Pflanzen, die robust und anspruchslos sind sowie neue Rohstoffe liefern. Wie wollen wir diese Pflanzen züchten, wenn wir vorher die Gene, die das können, ausgerottet haben?“

Am KIT arbeitet er zusammen mit Wissenschaftlern anderer Fachrichtungen an mehreren Fronten. So versucht sein Team sich an einer Verbindung zwischen Naturschutz, Artenrettung im botanischen Garten und einer Genbank wilder und gezüchteter Arten sowie an technologischen Verfahren, um aus Pflanzenzellen neue Produkte zu extrahieren. Gemeinsam mit KIT-Spezialisten für Mikrostrukturtechnik entwickelte er zum Beispiel einen Mikroreaktor, der die industrielle Medikamentenentwicklung aus Zellen ermöglicht, erforscht Möglichkeiten, die Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen zu erhöhen, kreuzt Weinreben mit alten Wildsorten, um ganz neue krankheitsresistente Reben zu erhalten und erhöht die Stressresistenz von Reis.

Einige dieser Entwicklungen werden industriell eingesetzt: In einem Forschungsprojekt kombinieren Wissenschaftler des KIT ihre Expertise mit dem technologischen Know-how der Phyton Biotech GmbH, dem größten Produzenten pharmazeutischer Inhaltsstoffe mit Pflanzenzellen. Mithilfe eines mikrofluidischen Bioreaktors aus miteinander gekoppelten Modulen ahmen die Wissenschaftler komplexes Pflanzengewebe technisch nach, um Wirkstoffe gegen Krebs oder Alzheimer effektiver und günstiger zu gewinnen als bislang. Für Peter Nick nur eine unter vielen möglichen Anwendungen: „Spätestens seit Beginn der 1990er-Jahre hat man begriffen, dass Biodiversität auch handfeste wirtschaftliche Bedeutung hat. Trotzdem bergen unentdeckte Effekte von Pflanzenzellen noch ungeahntes Potenzial für viele Bereiche unseres Lebens. Dies bietet Industrieunternehmen mit Mut und technologischem Know-how Chancen für neue Produkte und Märkte.“

 

 

Pflanzenzellen auf Hightech-Wegen

Eine von Professor Nicks Technologien beschäftigt sich mit der Optimierung von industriellen Prozessen zur Metabolitenproduktion. Dafür hat er gemeinsam mit Kollegen aus dem Institut für Mikrostrukturtechnik eine neuartige Mikrofluidik entwickelt, die komplexes Pflanzengewebe technisch nachahmt.

Mikrofluidische Systeme und Strukturen sind für viele technische Anwendungsgebiete interessant, zum Beispiel in der Medizintechnik und Biotechnologie. Zur Kultivierung von Zellen pflanzlicher Zellen werden sie bisher jedoch noch selten eingesetzt. Dabei gibt es hier sehr viel Potential für die Herstellung und Extraktion von Sekundärmetaboliten. Viele dieser nur aus Pflanzen hergestellten Substanzen können für Medikamente eingesetzt werden, sind bisher jedoch kaum synthetisch erzeugbar.

Wissenschaftler des Botanischen Instituts und des Instituts für Mikrostrukturtechnik am KIT haben einen mikrofluidischen Reaktor entwickelt, mit dem pharmazeutisch wirksamen Inhaltsstoffe über Pflanzenzell-Fermentation entwickelt werden können. Mögliche Anwendungsfelder sind die Produktion von Wirkstoffen gegen Krankheiten, aber auch gegen Schädlinge. Mithilfe eines mikrofluidischen Bioreaktors aus miteinander gekoppelten Modulen auf Polymer-Basis ahmen die Wissenschaftler komplexes Pflanzengewebe technisch nach. In jedem Einzelmodul wird ein Zelltyp beziehungsweise ein bestimmter Produktionsschritt verarbeitet. Über Kanäle sind die Module miteinander verbunden, die Ergebnissubstanzen inklusive Stoffwechselprodukte eines Zelltyps können so in das nächste Modul gelangen und dort weiterverarbeitet werden, ohne dass sich die unterschiedlichen Zelltypen vermischen. Die Zielsubstanz kann schließlich aus dem Durchfluss extrahiert werden.

In einer Kooperation mit dem Industriepartner Phyton wird ein Teil der Technologie für die Prozessoptimierung getestet.

Kooperation mit Phyton:

Von Pflanzenzellen zu Tumortherapeutika

Die Firma Phyton Biotech GmbH mit Produktionssitz in Ahrensburg (Deutschland) ist Weltmarktführer, wenn es um die Fermentation von Pflanzenzellen geht. Nur wenige Unternehmen trauen sich an die Fermentation von Pflanzenwirkstoffen heran, da sie aufwändig, technisch hochkomplex und langwierig ist. Die neuartige Mikrofluidik des KIT eröffnet hierbei neue Möglichkeiten.

Gemeinsam mit den Experten von Phyton Biotech erhielten die KIT-Forscher die Chance dazu in einem Verbundprojekt, gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).
Aufbauend auf dem bestehenden Prototyp entwickelten sie den Mikroreaktor weiter, um insbesondere den Prozess der Paclitaxelfermentation zu optimieren.

Für Phyton Biotech lohnt sich die Zusammenarbeit mit Forschungseinrichtungen wie dem KIT: „Im wissenschaftlichen Bereich findet man häufig eine sehr spezialisierte Expertise. In solchen Projekten können wir daran partizipieren und für unsere unternehmerische Weiterentwicklung nutzen. Das ist ein großer Schatz. Wir selbst konnten solche Forschungsarbeit nicht leisten“, sagt Dr. Gilbert Gorr von Phyton Biotech. Im Gegenzug profitieren die KIT-Wissenschaftler von der anwendungsnahen Forschung, die ohne solche Kooperationen nicht möglich wäre. Vor allem der wissenschaftliche Nachwuchs wird dadurch gefördert.

Pflanzenzellen und Elektropulsverfahren

Ein vom KIT produziertes YouTube-Video der Reihe „Biologie und Technik“.

Prof. Dr. Peter Nick

Prof. Dr. Peter Nick
Prof. Dr. Peter Nick

Professor Nick ist seit 2003 am KIT tätig und leitet seit 2005 die Forschungsgruppe Molekulare Zellbiologie am Botanischen Institut des KIT . Bis 2014 war er darüber hinaus Studiendekan an der Fakultät für Chemie und Biowissenschaften.

Sein Weg führte ihn vom Biologiestudium in Freiburg über Schottland, Japan, Frankreich bis zur Promotion und Habilitation wiederum in Freiburg, bevor er an der damaligen Universität Karlsruhe, heute KIT, seine wissenschaftliche Heimat fand.

In seiner Arbeit versucht er, die Fähigkeit zur Anpassung von Pflanzen zu verstehen und zu nutzen. Zentrale Fragestellungen seiner Arbeit drehen sich um die Erhaltung von natürlichen Räumen und Arten, Biodiversität sowie die Nutzung und Weiterentwicklung pflanzlicher Eigenschaften: Können wir pflanzliche Zellen künstlich so organisieren, dass sie wertvolle Wirkstoffe für die Medizin erzeugen? Können wir unser Wissen über die Anpassungsfähigkeit von Pflanzenzellen dazu nutzen, neue Pflanzen zu züchten, die dem Klimawandel besser gewachsen sind? Können wir unser Wissen über die Unterschiede pflanzlicher Zellen dazu verwenden, die Chancen neuer Medikamente zu nutzen und die Verbraucher in den globalisierten Märkten vor Fälschungen zu schützen?

Über zehn Auszeichnungen in den Bereichen Forschung, Lehre und Innovation hat Professor Nick erhalten.

Artenprojekte

„Pflanzliche Biodiversität ist wertvoll und dies nicht nur im übertragenen Sinn, sondern ganz handfest“, so Prof. Nick. In mehreren Projekten nutzt er mit seinem Team am Botanischen Institut des KIT Artenvielfalt, um daraus konkrete Anwendungen zu entwickeln. Im Zentrum stehen Nutzpflanzen wie Reis und Wein und deren wilde Verwandte, aber auch Pflanzen, die medizinisch genutzt werden. Im Rahmen von Kooperationen mit Industriepartnern stellt er sein Wissen und die Werkzeuge zur Verfügung. Dazu gehört unter anderem das „genetic barcoding“, die Authentifizierung mithilfe von Genmarkern. In Kombination mit der klassischen Authentifizierung, wie mikroskopischer Analyse, können so Herkunft und Authentizität verschiedener Pflanzen geprüft werden.

Das Team nutzt dafür die umfangreiche Sammlung von gut charakterisierten und überprüften Referenzpflanzen aus dem Botanischen Garten. Neben Kooperationen im Bereich Forschung und Entwicklung untersuchen die Wissenschaftler auch Dienstleistungen auf kommerzieller Basis, beispielsweise für Firmen, die mit pflanzlichen Produkten handeln oder diese verarbeiten.

Osmotischer Stress

Dürre, Bodenversalzung und Alkalinisierung nehmen zu und ziehen immense gesellschaftliche Probleme nach sich. Um die wachsende Weltbevölkerung mit ausreichend Nahrung versorgen zu können, braucht es neue gesunde und resistente Nutzpflanzen zum Anbau in klimatisch anspruchsvollen Gebieten. Das Team von Professor Nick hat nachgewiesen, dass Pflanzen intelligent auf Stressfaktoren reagieren können. Pflanzen sind offensichtlich in der Lage, auch komplexe Umweltsituationen zu analysieren und flexibel und angemessen darauf zu reagieren. Wie lässt sich diese Erkenntnis in Zukunft landwirtschaftlich nutzen?

Weinreben-Projekt

Die Weinrebe ist sehr anfällig für Krankheitserreger, was großen Aufwand für den Pflanzenschutz mit sich bringt. Beispielsweise gehen etwa 70 Prozent der Fungizidproduktion auf das Konto des Weinbaus. Im Botanischen Garten des KIT hat das Team die fast ausgestorbene europäische Wildrebe kultiviert. Sie ist resistenter gegen Krankheiten wie den falschen Mehltau. Durch Neuzüchtungen kann so der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln reduziert werden.

Trendpflanzen

Die Globalisierung schwemmt ständig neue Produkte auf den europäischen Markt, viele davon auf pflanzlicher Basis. Novel Food und funktionelle Nahrungsmittel stellen immer höhere Anforderungen an Verbraucherschutz und Qualitätskontrolle. Es ist oft sehr schwierig, diese zumeist exotischen Produkte zu erkennen und zuzuordnen. Der Verbraucher braucht aber die Sicherheit, dass drin ist, was draufsteht. Das Institut hat einen integrierten Ansatz entwickelt, um den Verbraucherschutz bei Trendpflanzen und den daraus hergestellten Handelsprodukten zu erhöhen.

Chinesische Medizin

Die traditionelle chinesische Medizin (TCM) wird weltweit gefragter und beruht auf etwa 1500 teilweise seltenen Pflanzen. Untersuchungen zeigen, dass etwa ein Viertel der Präparate durch andere Pflanzen gestreckt oder gar ersetzt wird. Im günstigsten Fall sind solche Surrogat-Produkte unwirksam, bei Verwechslungen mit giftigen Pflanzen können die Folgen fatal sein. Gemeinsam mit der Firma Phytocomm sucht Professor Nick nach Wegen, mehr Verbrauchersicherheit zu schaffen. So kann schon jetzt im Laufe einiger Stunden geklärt werden, wie sicher ein Präparat ist.

Amarant

Im Zuge von glutenfreier, vegetarischer und veganer Ernährung wird Amarant immer gefragter. Derzeit wird Amarant in Deutschland jedoch nur in sehr kleinem Umfang kultiviert, der Handel bezieht größere Chargen in der Regel aus Lateinamerika. Qualität und Identität des Materials sind dabei variabel und oft undefiniert. Am KIT wurden über 80 Amarant-Genotypen hinsichtlich ihrer Anbaueigenschaften untersucht und charakterisiert. Nun sollen aus den geeignetsten Genotypen neue Sorten gezüchtet werden.

Innovationen entstehen an Fachgrenzen

Obwohl Professor Dr. Andreas E. Guber vom Institut für Mikrostrukturtechnik und Professor Dr. Peter Nick vom Botanischen Institut in ganz unterschiedlichen Disziplinen forschen, arbeiten sie seit einigen Jahren in unterschiedlichen biotechnologischen Projekten zusammen. Sie zeigen, dass sich Ingenieurstechnik und Biologie gegenseitig befruchten und Innovationen entstehen können.

Professor Dr. Andreas E. Guber (links) und Professor Dr. Peter Nick (rechts)

Prof. Guber, Sie und Prof. Nick sind nicht nur thematisch auf unterschiedlichen Pfaden unterwegs, sondern auch räumlich auf zwei Campus getrennt. Wie entstand der erste Kontakt?

Wir trafen uns 2008 bei einem Treffen zu den Life-Sciences-Aktivitäten innerhalb des KIT im Audimax. Das KIT strebte in sogenannten Kompetenzfeldern die themenübergreifende Vernetzung der Wissenschaftler/innen aus unterschiedlichen Fachbereichen an, um den aktiven Austausch zu fördern. Der Kollege Nick referierte über eine aktuelle Frage der Grundlagenforschung im Bereich der molekularen Zellbiologie: Wie organisieren sich Zellen selbst und welche Signale beeinflussen sie? Hierfür fehlte aus meiner Sicht ein Gefäß oder besser gesagt ein Untersuchungssystem, in dem man die Zellprozesse online beobachten und bei Bedarf manipulieren kann. Pflanzen, beziehungsweise deren Blätter als komplexes System mit Kanälen und Flüssigkeitsströmen, erinnerten mich stark an ein mikrofluidisches System und wir kamen ins Gespräch. So entschieden wir, die Problemlösung gemeinschaftlich anzugehen und einen Mikrochip für Zelltests zu entwickeln.

Prof. Nick, neben den Ingenieurswissenschaften arbeiten Sie auch eng mit den Geisteswissenschaften zusammen. Dafür erhielten Sie 2015 den Landeslehrpreis für ein interdisziplinäres Lehrformat. Was fasziniert Sie an der Arbeit über Fachgrenzen hinweg?

Seit 2015 engagiere ich mich im „Forum für Kritische Interdisziplinarität (FKI)“, das ich gemeinsam mit Prof. Dr. Mathias Gutmann vom Institut für Philosophie gegründet habe. Unter dem Motto „Biologie trifft Ethik“ fördern wir mit diesem Lehrformat den Austausch von Studierenden aller Fachrichtungen auf einer ganz neuen Ebene. Wir suchen das Gespräch, um die richtigen Fragen zu stellen und Ideen kritisch zu hinterfragen. Das hilft dabei, auch als Wissenschaftler einmal die Perspektive zu wechseln sowie eigene Theorien und Entwicklungen zu reflektieren. Diese Impulse von außen machen die interdisziplinäre Arbeit für mich so wertvoll.

Welche Chancen sehen Sie beide in der Verbindung von Fachbereichen?

Prof. Guber: Häufig entstehen Innovationen erst durch die Symbiose von unterschiedlichem Know-how. Beispielsweise schafften die Biologen bei der gemeinsamen Entwicklung unseres Mikrofluidikchips das Verständnis für den Organismus Pflanze beziehungsweise lieferten mit konkretem Bedarf den Impuls zur Entwicklung. Wir als Ingenieure erarbeiteten das passende technische Untersuchungssystem, um die Prozesse in der Pflanze abzubilden. Aus einer Anwendung entwickelte sich so ein marktfähiges Produkt.

Prof. Nick: Ähnlich wie bei den Pflanzen als Organismus, bei denen einzelne Zellen spezifische Aufgaben übernehmen, setzen wir unsere unterschiedlichen Kompetenzen ein. Ohne die Hilfe der Ingenieure hätten wir heute nicht so eine komfortable Lösung zur Zellbeobachtung. Mit dem entstandenen Produkt leisten wir einen Beitrag für die Forschungsarbeit allgemein, öffnen aber auch die Türen für neue industrielle Anwendungen. Wir haben bereits Ideen zur Weiterentwicklung und Fortführung der erfolgreichen Zusammenarbeit.