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Den Pflanzeninhaltsstoffen auf die Spur kommen

Um die Ausbeuten in Bioreaktoren zu erhöhen oder Tierversuche bei Tests von Medikamenten zu reduzieren, setzen die Wissenschaftler des Instituts für Analytische Chemie der Hochschule Mannheim auf Sensoren. Im Netzwerk Bioaktive Pflanzliche Inhaltsstoffe wollen die Chemiker die Aktivität der Pflanzeninhaltsstoffe untersuchen.

Campus der Hochschule Mannheim © HS Mannheim

Um etwas wahrzunehmen, benutzen Lebewesen ihre Sinnesorgane, wie zum Beispiel das Auge. Dass Wahrnehmung auch im technischen Sinne von Bedeutung ist, wird schnell deutlich, wenn man feststellt, das überall in unserem Alltag Sensoren bereits Einzug gehalten haben: moderne Sensoren prüfen den Kohlendioxidgehalt in Lebensmittelverpackungen oder sind Teil der Einparkhilfe im Automobil. Die Sensorik ist das Hauptforschungsgebiet des Instituts für Analytische Chemie der Hochschule Mannheim unter der Leitung von Prof. Dr. Tobias Werner und Prof. Dr. Siegfried Weber. Die Chemiker möchten Prozesse untersuchen, die nicht direkt zugänglich sind, bei denen also zum Beispiel keine Probe genommen werden kann. „Wir entwickeln die Sensoren selbst und versuchen Materialien zu finden die uns mit selektiven Signalen informieren.“, erklärt Prof. Tobias Werner, der seit 2006 in Mannheim tätig ist.

Ganz aktuell arbeiten die Wissenschaftler an Glucose- und an Sauerstoffsensoren. Diese nur wenige Millimeter großen Sonden werden zur Messung in ein Reagenzglas oder in einen Reaktor geklebt. Der Sensor ist in Kontakt mit dem Medium und auf Grund seiner optischen Eigenschaften in der Lage Informationen über eine Analytkonzentration im Inneren zu geben. Der Sauerstoff- oder Glucosegehalt einer Lösung kann also bestimmt werden, ohne dass das Reaktionsgefäß geöffnet werden muss. „Interessant ist dies natürlich besonders bei solchen Verfahren, bei denen man prozessbedingt das Gefäß nicht öffnen darf, zum Beispiel bei der Bierbrauerei oder in einem Bioreaktor“, erklärt Prof. Werner.

Kostensenkung als erste von vielen Verbesserungen

Sensoren in einer Zellkulturschale © HS Mannheim

In ihrem gegenwärtigen Projekt wollen die Wissenschaftler möglichst viele Rückschlüsse über die Prozesse in einem Bioreaktor ziehen. Für Zellen, die für Medikamente einsetzbare Proteine synthetisieren, sollen durch die Messung der Glucosekonzentration die Bedingungen im Reaktor optimiert werden. Dank der Prozesskontrolle könnten die Kosten für die in den Medikamenten eingesetzten Stoffe deutlich reduziert werden.

In einem weiteren Projekt mit der Universität Heidelberg arbeiten die Chemiker an Tests, die helfen sollen, Medikamente für die Krebstherapie zu entwickeln. Mit Hilfe eines Sauerstoffsensors wird die Zellatmung kontrolliert, und somit gemessen, ob eine zu einer Zellkultur zugegebene Substanz cytostatisch, also das Zellwachstum hemmend, oder cytotoxisch wirkt. „Man verspricht sich, dass durch den Einsatz der Sensoren während der Medikamententests auf Tierversuche weitgehend verzichtet werden kann“, so Werner. Die Pharmakologie will die Fragen beantworten: Tötet die Substanz das richtige Gewebe ab und sind Nebenwirkungen zu erwarten? Mit den Sauerstoffsensoren kann dafür ein selektiver Test gemacht werden, so dass viele Tierversuche entfallen könnten.

Qualitätskontrolle für Lebensmittel

Mitarbeiter des Instituts am Fluoreszenzspektrometer © HS Mannheim

Anwendung finden die Sensoren natürlich auch im Bereich der so genannten sekundären Pflanzenstoffe - das sind Verbindungen in Pflanzen, die nicht direkt in deren Stoffwechsel benötigt werden - und bioaktiven Lebensmittelinhaltsstoffe. „Wir wollen zum Beispiel untersuchen, ob ein Stoff Zellen länger leben lässt“, sagt Werner. Ob das im Rotwein enthaltene Resveratrol tatsächlich zellprotektiv wirkt, ist nur einer der Ansätze, den die Wissenschaftler demnächst auf dem Gebiet der pflanzlichen Lebensmittel verfolgen wollen.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Messung der optischen Eigenschaften von pflanzlichen Ölen, um eine Information über die Herkunft, Qualität und über das Alter des Öls zu bekommen. Somit hätte man eine neue einfache Möglichkeit geschaffen, Lebensmittel einer Qualitätskontrolle zu unterziehen. Da die Chlorophyllfluoreszenz auf sehr kleine Änderungen der Ölinhaltsstoffe reagiert, könnte diese als Maßstab verwendet werden, was eine einfach Messung direkt beim Erzeuger ermöglichen würde.

Tägliche Arbeit im Labor © HS Mannheim

Weiterhin ist das Institut in Prof. Werners ehemaliger Kernkompetenz, der Metallanalytik, aktiv. Mit Hilfe der Atomabsorptionsspektrometrie können unterschiedliche Anteile von Kupfer und Eisen in einzelnen Zellorganellen gemessen werden. Bis hin zu Massenkonzentrationen von wenigen Nanogramm pro Liter können unterschiedliche Ionenkonzentrationen im Cytoplasma und zum Beispiel den Mitochondrien erkannt werden.

Gemeinsam mit der Universität Heidelberg untersuchen die Analytiker, inwieweit Pflanzen Metalle akkumulieren können. Beispielsweise reichern Steinkräuter bis zu ein Prozent Zink, 0,1 Prozent Nickel, Cobalt, Blei sowie 0,01 Prozent Cadmium, bezogen auf die Pflanzen-Trockenmasse an. Die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) kann zudem Arsen aus dem Boden aufnehmen. Mit Arsen verseuchte Böden könnten durch den Anbau der Pflanze von dem giftigen Halbmetall befreit werden. Der Fokus des Instituts für Analytische Chemie liegt gegenwärtig darin, die Rolle des Tripeptids Glutathion bei der Anreicherung von Schwermetallen in Pflanzen zu untersuchen. „Verstärkt wird das so genannte Phyto-Mining zukünftig deshalb Anwendung finden, weil die rasante technische Entwicklung im Kommunikations- und Automobilbereich einen stark anwachsenden Bedarf an speziellen Elementen, darunter auch die Seltenerdmetalle wie Terbium, Cer und Neodym anmeldet“ erklärt Prof. Werner.

Schmackhaft und gesund ernähren

Im Netzwerk Bioaktive pflanzliche Lebensmittel koordiniert Prof. Werner den Arbeitskreis Analytik. Es gilt zunächst den richtigen Amaranthgenotyp zu identifizieren, der den Anforderungen des Netzwerks entspricht. „Hier sind besonders die Universitäten Hohenheim und Heidelberg aktiv“, berichtet Werner. „Wir wollen die hochinteressanten Inhaltsstoffe und deren Wirkungsmechanismen möglichst auf zellulärer Ebene untersuchen und verstehen“, erklärt der Chemiker.

Doch nicht nur im Netzwerk ist der begeisterte Hobbykoch aktiv. Mit seiner „Mannheimer Kochvorlesung“ im Rahmen des jährlich im Sommersemester stattfindenden Open Campus der Hochschule Mannheim erklärt Prof. Werner, was beim Kochen auf molekularer Ebene passiert und welche Tricks und Kniffe man anwenden sollte, um sich sowohl schmackhaft, aber vor allem gesund zu ernähren. In diesem Jahr stand die Kochvorlesung unter dem Titel „Essen wie die Inkas und Azteken“, wobei der praktische Einsatz der beiden Pseudogetreidesorten Amaranth und Quinoa den Zuhörern näher gebracht und gleichzeitig gezeigt wurde, wie man diese sehr wertvollen Lebensmittel in den normalen Koch-Alltag integrieren kann.

Glossar

  • Das Zytoplasma (Zellplasma) ist der lichtmikroskopisch betrachtet mehr oder weniger unstrukturierte Teil einer Zelle.
  • Lytisch zu sein ist die Eigenschaft eines Bakteriophagen, seine Wirtszelle bei der Infektion zu zerstören.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Arabidopsis thaliana ist der wissenschaftliche Name für die Acker-Schmalwand; diese war im Jahr 2000 die erste Pflanze, deren Genom vollständig bekannt wurde. Aufgrund ihres kleinen Genoms mit 5 Chromosomenpaaren (mit ca. 25 000 Genen) ist sie eine der wichtigsten Modellorganismen der Pflanzengenetik.
  • Ein Bioreaktor ist ein geschlossenes System, in dem mikrobielle Umsetzungen organischer Substanzen unter kontrollierten Bedingungen stattfinden und gemessen werden können.
  • Eine Zellkultur ist ein Pool von gleichartigen Zellen, die aus mehrzelligen Organismen isoliert wurden und in künstlichem Nährmedium für Forschungsexperimente im Labor (in vitro) gehalten werden.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Die Pharmakologie ist eine Wissenschaft, die sich mit der Wechselwirkung zwischen Arzneimitteln und Organismen befasst. Dabei gibt es zwei Verfahren zur Beurteilung: Die Pharmakokinetik beschreibt die Aufnahme, Verteilung, Verstoffwechselung und Ausscheidung des Wirkstoffs, die Pharmakodynamik beschreibt die Wirkung des Arzneimittels im Organismus.
  • Glucose ist ein Monosaccharid (Einfachzucker). Sie kommt als D-Glucose in fast allen süßen Früchten vor und trägt den Trivialnamen Traubenzucker. Glucose bildet den Mittelpunkt des Kohlenhydrat-Stoffwechsels.
  • Ein Mitochondrium ist ein von einer Doppelmembran umschlossenes Organell, das im Zellinneren der Eukaryonten vorkommt. Als "Kraftwerk der Zelle" dient es der Energiegewinnung, weshalb Zellen mit hohem Energiebedarf (z. B. Muskel- oder Nervenzellen) viele Mitochondrien enthalten.
  • Bioaktive Substanzen sind Stoffe in Lebensmitteln, die meist eine gesundheitsfördernde biologische Wirkung auf den menschlichen Körper haben, aber keine Nährstoffe bzw. Energie liefern. Sie haben häufig entzündungshemmende, antioxidative, immunmodulierende oder antikanzerogene Wirkung.
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