Fluch und Segen der Tabakpflanze
Die Tabakpflanze kann auch zu anderen Zwecken genutzt werden als zur Zigarettenproduktion: zur Herstellung monoklonaler Antikörper.
Mehr als 3 Millionen Hektar Land werden weltweit für den Anbau von Tabak genutzt. Mit 2,1 Millionen Tonnen – mehr als ein Drittel der weltweiten Gesamtproduktion – ist China der weltgrößte Tabakproduzent. Aus dieser enormen Menge Tabak werden laut dem aktuellen „Tobacco Atlas“ über 5 Billionen Zigaretten hergestellt. Mit fatalen Konsequenzen: Weltweit sterben laut Weltgesundheitsorganisation (WHO) jährlich 7,6 Millionen Menschen an den Folgen des Rauchens. Was jedoch wenig bekannt ist: Die Tabakpflanze kann auch sinnvoll genutzt werden. „Die Tabakpflanze ist in der Biochemie seit Jahrzehnten eine Modellpflanze, mit der neue Verfahren erprobt und die Funktion von Genen erforscht werden kann“, erklärt Univ.-Prof. Dr. Herta Steinkellner vom Institut für Pflanzenbiotechnologie und Zellbiologie der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU).
Tabak (Nicotiana) ist eine Pflanzengattung aus der Familie der Nachtschattengewächse. Viele der etwa 75 Tabakarten produzieren in ihren Wurzeln die Substanz Nikotin, die sie in den Blättern einlagern. Nikotin ist ein pflanzliches Alkaloid, das je nach Dosierung erregende oder lähmende Wirkungen auf die Ganglien des vegetativen Nervensystems besitzt. Den Tabakpflanzen dient Nikotin zur Abwehr von Fressfeinden. Bei Menschen, die Tabakprodukte konsumieren, führt Nikotin binnen kurzer Zeit zu einer Abhängigkeit; es bindet im Gehirn an bestimmte Rezeptoren, sodass im sogenannten Belohnungssystem Dopamin ausgeschüttet wird.
Modellpflanze Tabak
Während zur Herstellung von Tabakwaren die Arten Nicotiana tabacum und Nicotiana rustica verwendet werden, kommt in der Forschung die Art Nicotiana benthamiana zum Einsatz. Es sind 2 Eigenschaften, die Tabak für Forschende so interessant machen: Zum einen wachsen Tabakpflanzen sehr schnell und sie fühlen sich auch unter Laborbedingungen wohl. Zum anderen lässt sich das Genom der Tabakpflanze schneller und einfacher verändern als bei anderen Gewächsen.
An der BOKU versuchen Forschende, mithilfe von Tabakpflanzen ein Verfahren zur Herstellung von monoklonalen Antikörpern zu etablieren. Monoklonale Antikörper sind hochkomplexe Proteine, die menschlichen Antikörpern nachgebildet sind. „Die herkömmliche Produktion von monoklonalen Antikörpern ist sehr zeitaufwändig und kostenintensiv“, weiß Steinkellner: „Die Produktion solcher Antikörper mit Tabakpflanzen ist schneller, kostengünstiger und nachhaltiger.“
Dazu bedient sich die Forschung eines natürlichen Bodenbakteriums namens Agrobacterium tumefaciens, das über die Fähigkeit verfügt, DNA in pflanzliche Zellen zu übertragen. Daher wird zunächst jenes Gen, das den gewünschten Antikörper exprimiert, mittels molekularbiologischer Methoden in das Bakterium geschleust. „Das Bakterium fungiert wie ein Taxi für das Gen“, beschreibt Steinkellner. Dann werden die Pflanzen in eine Suspension dieser Bakterien eingetaucht. Die Blätter nehmen die Bakterien auf, die zum Erbgut der Pflanze vordringen und das bewusste Gen einschleusen. In der Folge beginnt die Pflanze, den gewünschten Antikörper zu produzieren. Wird die Pflanze schließlich geerntet, lassen sich die Antikörper herausreinigen. „Auf diese Weise kann aus 1kg Pflanzenmaterial 1ml Suspension mit Antikörpern gewonnen werden“, resümiert die Wiener Biochemikerin.
Auch Antikörper-Engineering
Das Verfahren kam bereits vor 10 Jahren zum Einsatz. Damals wurden monoklonale Antikörper gegen das Ebola-Virus hergestellt, das zu dieser Zeit in Westafrika grassierte. Während der Covid-19-Pandemie ist es den Wiener Forscherinnen und Forschern gelungen, hochaktive Varianten von Antikörpern gegen SARS-CoV-2 zu synthetisieren. „Wir machen auch Antikörper-Engineering“, betont Steinkellner. Das heißt: An der BOKU werden – in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern – die Antikörper auch verändert, um deren Wirksamkeit zu steigern.
Dass die Tabakpflanze in erster Linie mit Rauchen und den damit verbundenen Problemen assoziiert wird, ist Steinkellner – und den anderen Forschenden, die mit Tabakpflanzen arbeiten – ein großer Dorn im Auge. Die BOKU ist auch an dem EU-Projekt NEWCOTIANA beteiligt, in dem mithilfe der modernsten molekularbiologischen Züchtungsmethoden neue Tabakarten speziell für die Forschung entwickelt werden sollen. Laut Steinkellner mit dem erklärten Ziel, das Nikotin aus den Tabakpflanzen herauszuzüchten: „Wir wollen mit Nikotin nichts zu tun haben.“