Die Detektivarbeit
der Prof. O’Connor
Wenn Sarah O’Connor forscht, erinnert manches an einen Detektivroman von Agatha Christie. Sie und ihr Team beschäftigen sich mit toxischen Stoffen wie Strychnin – berüchtigt als Rattengift und Mordwaffe. Und wie im klassischen Krimi müssen sie Indizien auswerten und intelligent kombinieren, um hochkomplexe Rätsel zu lösen.
Doch in O’Connors Fällen gibt es keine Opfer, im Gegenteil: Die Forschungsarbeit der Chemieprofessorin soll dazu beitragen, dass lebensrettende Medikamente schneller und günstiger hergestellt werden. Die US-Amerikanerin ist Direktorin der Abteilung für Naturstoffbiosynthese am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena. Ihr Arbeitsplatz auf dem Beutenberg Campus ist vermutlich einer der grünsten der Stadt. Zum Institut gehören mehrere Gewächshäuser, auf den Gängen stehen zahllose Topfpflanzen.
„Pflanzen können nicht weglaufen, wenn sie sich in Gefahr befinden, weil zum Beispiel ein Tier sie fressen will“, sagt Sa-rah O’Connor und beschreibt damit die Grundlage ihrer Arbeit. Denn zum Schutz produzieren viele Pflanzen giftige Chemikalien. Einige davon haben medizinischen Nutzen. Das Madagaskar-Immergrün zum Beispiel bildet das Alkaloid Vinblastin. Der Naturstoff wird seit Jahrzehnten in der Krebstherapie ein-gesetzt. Doch weil die einzelne Pflanze sehr wenig davon produziert, ist er nur mit hohem Aufwand zu gewinnen.
„Wir wollen herausfinden, wie genau Pflanzen solche nützlichen Moleküle herstellen“, erklärt die Wissenschaftlerin. Der Weg dorthin ist hoch kompliziert. Denn zunächst muss das Team um Sarah O’Connor herausfinden, welche Gene zur Bildung des Stoffes beitragen. Bei Vinblastin sind 33 Gene beteiligt – von insgesamt mehr als 50 000 Genen in der Pflanze. Danach gilt es zu eruieren, wie diese Gene interagieren, mit welchen chemischen Schritten also der Biosyntheseweg verläuft, an dessen Ende Vinblastin steht.
Diese Detektivarbeit findet in verschiedenen Laboren rund um O’Connors Büro statt. Sie ist überzeugt, dass die Bedingungen für ihre Mission nirgendwo besser sind als in Jena. Deshalb zögerte die New Yorkerin nicht, als der Ruf ans MPI-CE kam. Mehr als 40 Forschende aus allen Teilen der Welt sequenzieren in ihrer Abteilung Pflanzengewebe, bedienen Massenspektrometer, führen biochemische Untersuchungen im Reagenzglas durch und setzen bioinformatische Methoden ein. Im Falle des Krebswirkstoffes Vinblastin haben sie das Rätsel gelöst – ebenso wie im Falle von Strychnin.
Mit diesem Wissen lässt sich der gewünschte Wirkstoff synthetisch herstellen – beispielsweise mithilfe von Tabakpflanzen oder Hefe. „In Zukunft können wir Medikamente auf diese Weise schneller, günstiger und mit verbesserter Wirkung zugänglich machen“, sagt Prof. O’Connor. Sie hofft, dass ihre Grundlagenforschung in zehn Jahren den Weg in die industrielle Produktion gefunden hat und möglichst viele Menschen davon profitieren.
Die Superkräfte
des Prof. Popp
Jürgen Popp steht vor einer Herausforderung, die er mit den meisten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern auf dem Beutenberg Campus teilt: Seine komplexe Forschung ist für Laien schwer verständlich. Deshalb hat das Team des Professors, der an der Uni Jena den Lehrstuhl für Physikalische Chemie hält und das Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) leitet, ein Comic entwickelt, das seine Forschung veranschaulicht. Die Hauptrolle darin spielt die Superheldin „Lasergirl“. Mit der Kraft des Lichts macht sie Jagd auf „Killerkeime“, um Menschen das Leben zu retten.
Genau das ist auch die Mission von Jürgen Popp, der mit dieser Superkraft eine lebensrettende Laser-Technologie maßgeblich mitentwickelt hat. Popp und sein Team nutzen Laserlicht, um schneller und präziser Krankheitserreger zu identifizieren und zu bekämpfen. Wenn sie etwa mit einem Laser eine Blutprobe bestrahlen, können sie anhand des zurückgestreuten Lichts die molekularen Bestandteile dieser Probe identifizieren. „Wir erhalten einen molekularen Fingerabdruck der weißen Blutzellen“, sagt Popp. Daraus wiederum lässt sich mithilfe von künstlicher Intelligenz deutlich schneller als mit bisherigen Blutanalysen ablesen, ob der jeweilige Patient eine Infektion hat – und ob diese von Bakterien, Viren oder einem Pilz ausgelöst wurde. 500 Mikroliter Blut und 60 Minuten Zeit genügen, und die behandelnden Ärzte wissen, welche Behandlung jetzt sinn-voll ist. Antibiotika beispielsweise wären wirkungslos, wenn die Infektion viral ist.
Handelt es sich aber um bakterielle Erreger, könnte Laserlicht bei einem weiteren Test dabei helfen, diese schnell und passgenau zu bekämpfen. In diesem Fall verrät der molekulare Fingerabdruck der Bakterien, um welche Art es sich handelt. „Gleichzeitig können wir die Bakterien in Wechselwirkung mit unterschiedlichen Antibiotika in verschiedener Konzentration bringen“, erklärt Popp. So lässt sich nicht nur ermitteln, welches Antibiotikum am besten anschlägt, sondern auch welche Dosis optimal ist. Bislang müssen Ärzte bis zu drei Tage warten, bis mikrobiologische Untersuchungen vergleichbare Ergebnisse bringen; Popps laserbasiertes Verfahren liefert binnen weniger Stunden Antworten.
Dieser Zeitgewinn kann Leben retten, wenn der Patient beispielsweise mit einer Sepsis kämpft, einer Blutvergiftung. Die Verfahren an sich sind laut Jürgen Popp ausgereift. Mit seinem Team arbeitet er nun daran, kompakte, bedienungsfreundliche Geräte zu entwickeln, die für Arztpraxen geeignet sind und für Krankenkassen bezahlbar. „Am Ende darf so ein Test nicht mehr als drei oder vier Euro kosten.“ Neben technischen Herausforderungen muss er viele regulatorische Hürden über-winden. Parallel dazu werden die Geräte und Testverfahren in einer Machbarkeitsstudie am Uniklinikum Jena klinisch validiert.
Popp geht davon aus, dass dieses Prozedere noch Jahre in Anspruch nehmen wird. Aber er ist überzeugt, dass sich die Ausdauer lohnt. Einerseits für alle Patienten, denen die Laser-kraft irgendwann schneller helfen oder sogar das Leben retten wird. Anderseits wegen der globalen Bedrohung durch Anti-biotikaresistenzen, an denen laut WHO jedes Jahr 1,3 Millionen Menschen sterben. Die Resistenzen, so die Hoffnung, könnten zurückgehen, wenn Antibiotika gezielter und nicht mehr auf Ver-dacht unnötig verabreicht werden. Das wäre ein echter Laser-girl-Riesenschlag gegen die Killerkeime.
Die Roboter-Power
der Dr. Gyr
Etwa zehn Gehminuten weiter, am Südende des Beutenberg Campus, kämpft auch Luzia Gyr vehement gegen Krankheitserreger. Aber während Jürgen Popps Verfahren darauf ab-zielen, bestehende Antibiotika besser einzusetzen, sucht die promovierte Chemikerin nach neuen. Genauer gesagt: Sie arbeitet mit Robotern, die diese Suche massiv beschleunigen sollen. Denn die Entwicklung neuer Antibiotika, die vielleicht auch gegen resistente Bakterien helfen könnten, geht extrem schleppend voran.
„Für die Pharmaindustrie lohnt es sich nicht, Zeit und Geld in die Entwicklung neuer Antibiotika zu investieren“, sagt Gyr und erklärt: Die Medikamente sind relativ günstig, sie sollten sparsam eingesetzt und nur für kurze Zeiträume eingenommen werden. Welche Folgen das hat, zeigt die Schweizerin am Computer in ihrem kleinen Büro, von dem aus sie einen herrlichen Blick über Jena hat. Aktuell befinden sich weniger als 100 Antibiotika weltweit in der klinischen Entwicklungsphase. Der Prozess dauert Jahre, nur ein kleiner Teil schafft es bis zur Zulassung. „Das reicht nicht, um die Antibiotikakrise zu bewältigen“, sagt Gyr und zeigt eine weitere Zahl: Bis 2050 könnten Antibiotikaresistenzen zehn Millionen Menschenleben im Jahr fordern.
Deshalb kommt es nun auf öffentlich geförderte Forschung an. Das Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie in Jena (Leibniz-HKI) gehört zu den führenden Einrichtungen in der Antibiotikaentwicklung. Hier entdeckten Wissenschaftler vor einigen Jahren den Tuberkulose-Wirkstoff BTZ-043 – seit Jahrzehnten die erste Entdeckung eines neuen Antibiotikums in Deutschland.
Eine hochinnovative Robotik-Plattform, die Luzia Gyr seit der Eröffnung im Sommer 2023 leitet, soll dazu beitragen, dass solche Erfolge häufiger werden. „JenXplor“ steht an der Tür, hinter der sich die Robotik-Plattform befindet. In großen, verglasten Modulen steht dort unterschiedlichstes Laborwerkzeug, das von Robotern bedient wird. Ein Greifarm, der einem Industrieroboter gleicht, rotiert elegant in Richtung einer Trägerplatte und leert 384 Pipettenspitzen auf einmal – präziser und schneller, als ein Mensch das jemals könnte. Die gesamte Anlage ist modular aufgebaut, die einzelnen Teile können unabhängig voneinander mikrobiologische, molekularbiologische und biochemische Experimente durchführen. „In dieser Gerätekombination ist die Robotikplattform weltweit einzigartig“, erklärt Luzia Gyr. Mehrere Millionen Euro Fördermittel von Bund und Freistaat ermöglichten die Anlage, die gemeinsam mit dem ortsansässigen Unternehmen Analytik Jena maßgeschneidert entwickelt wurde.
Die beeindruckende Automatisierung, dank der sich mehrere Zehntausend Substanzen gleichzeitig testen lassen, ist dabei nur ein wichtiger Aspekt. „Wir gewinnen riesige Datensätze, die wir für Vorhersagemodelle nutzen können“, erklärt Gyr. „Das wiederum steigert die Erfolgschancen, einen Treffer zu landen, den Forschungskollegen weiterentwickeln können.“
Wann genau so ein Treffer passieren könnte? Dazu mag die Wissenschaftlerin keine Prognose abgeben. Zuversichtlich aber ist sie. „Wir haben im Institut die optimale Kombination aus Technik und Expertise für diese Mission.“