Bei der Produktion komplexer Moleküle übertreffen die Werkzeuge der Biologie oft die der Laborchemiker. Eben deshalb könnten – im Prinzip – viele kostspielige, weil komplex aufgebaute pharmazeutische Wirkstoffe und Spezialchemikalien auch besser durch die Spezialenzyme lebender Zellen produziert werden. In der Praxis stehen dieser guten Idee allerdings einige Hindernisse im Weg; vor allem die Tatsache, dass eine Durchschnittszelle meist nicht ein einzelnes kompliziertes Molekül in großer Menge passend zum Bedarf des Menschen produziert, sondern gleichzeitig viele anderen Prozesse mit hoher Intensität betreibt. Die Durchschnittszelle arbeitet aus Sicht eines Synthesechemikers, der nur an einem hochreinen Endprodukt interessiert ist, also nicht gerade effizient. Das könnte man ändern, meint nun ein Team dänischer Synthesechemiker nach einer erfolgreichen Manipulation der Synthesefabrik von Tabakpflanzenzellen.

Die Forscher hatten es auf die Leistung einer bestimmten, weit verbreiteten Enzymklasse in Pflanzenzellen abgesehen, so genannten Cytochrom-P450-Oxidoreduktasen. Diese vielgestaltigen P450er synthetisieren in Zellen eine große Bandbeite verschiedener Spezialmoleküle. Biochemiker versuchen seit einiger Zeit, die P450-Spezialisten für ihre Zwecke einzuspannen, indem sie sie aus den Zellen herausholen und als In-vitro-Industrienzyme in künstliche Systeme einbauen, um dann die darin produzierten Moleküle abzuernten. Das ist allerdings technisch aufwändig und funktioniert zudem noch nicht zufrieden stellend: Gründe sind die Anforderungen, die die Proteinmaschinen an ihr Umfeld stellen, oder der Hunger des Laborsystems nach Kofaktoren wie dem teuren Elektronenspender NADPH, die für die Synthese nötig sind und ständig nachgeliefert werden müssen.

Poul Erik Jensen von der Universität Kopenhagen und seine Kollegen sind dieses Problem nun anders angegangen: Sie haben einen P450-Enzymkomplex nicht ausgebaut, sondern innerhalb einer Pflanzenzelle geschickt verpflanzt. In Pflanzenzellen liegt der Komplex – er sorgt für die Produktion des kompliziert aufgebauten, zum Fraßschutz produzierten Aromastoffes Dhurrin – natürlicherweise in der Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER) eingebettet, wo auch viele andere Syntheseprozesse in der Zelle ablaufen. Die Forscher sorgten mit biochemischen Tricks aber nun dafür, dass die Dhurrin produzierende P450-Komplex nicht mehr im ER, sondern ausschließlich in den Membranen der Chloroplasten einer Tabakpflanze vorkommt. Dort profitiert der aus vier kooperierenden Spezialenzymen zusammengesetzte Komplex dann direkt vom Fotosyntheseapparat der Pflanzen, der aus Licht und Wasser den nötigen Kofaktor NADPH produziert und auf kürzestem Weg bereitstellt. So gelang es Jensens Team, Pflanzen zu züchten, die bei Sonnenschein damit beginnen, das Endprodukt Dhurrin in größeren Mengen zu herzustellen. Als Nachschub benötigen die sonst autarken Biofabriken nur noch Wasser, das die Elektronen für den Syntheseprozess liefern.

Auch der Ansatz des dänischen Teams ist aufwändig, bietet aber Vorteile gegenüber anderen, technisch ebenso problematischen Versuchen, aus Enzymkomplexen wie P450 leistungsstarke In-vitro-Biofabriken zu konstruieren. Prinzipiell dürfte der Ansatz mit zahlreichen, voneinander abweichenden P450-Enzymen ähnlich funktionieren, so dass die unterschiedlichsten Spezialenzyme des ER ganz analog direkt an die Fotosysteme angeschlossen werden können – so können, hoffen die Forscher, womöglich Bioreaktoren für viele verschiedene bioaktive Spezialmoleküle entstehen.