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Zucker in der Forschung

Tumorsucher, Impfstoff und Glyphosat-Ersatz

Er macht süchtig, müde und krank: Zucker hat in der Ernährung nicht das beste Image. Anders in verschiedenen Bereichen der Medizin und Chemie: Dort sind Zuckermoleküle wichtige Helfer, und neue Einsatzgebiete werden intensiv erforscht. PTA-Forum stellt drei aktuelle Forschungsgebiete vor, in denen Zucker eine wichtige Rolle spielen.
Verena Schmidt
15.05.2019
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Komplexe Zuckermoleküle könnten zum Beispiel in Zukunft dabei helfen, Tumoren im Körper aufzuspüren und sie frühzeitig zu behandeln. Wissenschaftler der Universität Würzburg haben Ende 2017 dazu einen speziellen Zucker synthetisiert, der passgenau an das Tumorprotein Galectin-1 andockt. Dieses Protein kommt auf der Oberfläche aller menschlichen Zellen vor, Tumorzellen exprimieren es allerdings in besonders großer Menge. »Es ist unter anderem bekannt, dass Galectin-1 die Tumorzellen vor dem Immunsystem versteckt«, erklärt Professor Dr. Jürgen Seibel vom Institut für Organische Chemie der Universität Würzburg in einer Pressemitteilung der Universität. Werde Galectin-1 blockiert, sei das Immunsystem in der Lage, die Krebszellen zu erkennen und anzugreifen.

Das in Würzburg designte Zuckermolekül passt genau auf die sogenannte Kohlenhydrat-Erkennungsdomäne von Galectin-1, wie die Forscher in der Fachzeitschrift »ChemBioChem« berichten. Das Zuckermolekül besitzt eine Andockstelle, an die etwa ein fluoreszierender Farbstoff gekoppelt werden könnte. Möglich wäre auch, die Zuckermoleküle als eine Art Shuttlesystem zu verwenden und Arzneistoffe direkt zum Tumor zu transportieren. Noch ist das allerdings Zukunftsmusik, der Einsatz beim Menschen liegt aktuell noch in weiter Ferne.

Impfstoffe

Nicht neu ist der Einsatz von Zuckermolekülen bei der Herstellung von Impfstoffen. So enthalten etwa Pneumokokken-Vakzinen charakteristische Polysaccharide von der Oberfläche des Bakteriums Streptococcus pneumoniae. Die Polysaccharid-Antigene sind in dem Impfstoff entweder in reiner Form enthalten oder sie sind an ein Protein gebunden, also konjugiert. Letztere, die sogenannten Konjugat-Impfstoffe, lösen bei Kindern unter zwei Jahren eine verbesserte Immunantwort aus. Sie schützen allerdings vor weniger Serotypen als der reine Polysaccharid-Impfstoff.

Die Herstellung dieser Impfstoffe ist recht teuer und aufwendig, da bei der Isolation der Oberflächenzucker oft Verunreinigungen durch Rückstände und veränderte Zuckermoleküle entstehen. Forscher der Max-Plank-Gesellschaft arbeiten daher schon länger daran, die Zuckermoleküle der Pneumokokken-Oberfläche synthetisch herzustellen. Die Produktion im Labor sei deutlich einfacher als die Isolation der konventionellen Impfstoffe aus Bakterien, heißt es in einer Pressemitteilung der Max-Plank-Gesellschaft.

Die Schwierigkeit bei der synthetischen Produktion: Es muss genau bekannt sein, welcher Bestandteil der Oberflächenzucker die Immunität gegen den Erreger auslöst. Die Forscher des Potsdamer Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung, der Berliner Charité und des Albert Einstein College of Medicine in New York haben 2017 diese Struktur bei Streptococcus pneumoniae vom Serotyp ST8 identifiziert. Überraschenderweise war es ein recht kleines Molekül, ein Dreifachzucker aus zwei Glucose- und einem Galactose-Molekül, das die Immunantwort vermittelt.

2018 haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung nun einen Impfstoff auf Basis synthetischer Zucker gegen den Serotyp 1 entwickelt. Dieser ist vor allem in Entwicklungsländern für viele Hirnhautentzündungen verantwortlich. Die bereits erhältlichen konventionellen Impfstoffe bieten, so die Forscher, nur unzureichend Schutz vor diesem Serotyp. Da bei der Produktion des synthetischen Zuckerimpfstoffs keine »falschen« Bausteine entstehen, soll er auch besser wirken als die konventionellen, die aus Bakterien isoliert werden. Die neue Impfung wurde laut den Wissenschaftlern bereits erfolgreich an Kaninchen getestet, nun soll sie weiterentwickelt und dann in klinischen Studien am Mensch erprobt werden.

Natürliches Herbizid

Nicht nur in der Medizin, auch beim Pflanzenschutz könnte ein Zucker Karriere machen: Chemiker an der Universität Tübingen haben jüngst per Zufall ein Zuckermolekül entdeckt, das auf Pflanzen eine ähnliche Wirkung hat wie Glyphosat. Es hemmt also das Wachstum von Pflanzen, Pilzen und Bakterien. Für menschliche und tierische Zellen sei 7-desoxy-Sedoheptulose (7dSh) dagegen ungefährlich, berichten die Wissenschaftler um Dr. Klaus Brilisauer im Februar dieses Jahres im Fachjournal »Nature Communications«.

7dSh wurde aus Kulturen des Süßwasser-Cyanobakteriums Synechococcus elongatus isoliert. Der Zucker blockiert ein Enzym des Shikimatwegs – ein Stoffwechselweg, der nur in Mikroorganismen und Pflanzen vorkommt. Das Unkrautvernichtungsmittel Glyphosat greift ebenfalls in diesen Stoffwechsel ein. Es ist jedoch sehr umstritten, da es im Verdacht steht, beim Menschen Krebs auslösen zu können. 7dSh soll als natürliches Herbizid viel besser verträglich sein. Da es sich um ein reines Naturprodukt handelt, erwarten die Tübinger Forscher auch eine gute Abbaubarkeit und eine geringe Ökotoxizität. Bis es zum Einsatz kommen kann, muss 7dSh allerdings noch in umfassenden Langzeitstudien erforscht werden.

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