Botaniker nennen ihn einen Extremophilen – und das zu Recht. Der Australische Tabak, Nicotiana benthamiana, besiedelt weite Teile seines Heimatkontinents und ist seit Jahrzehnten auch ein überaus beliebtes Laborgewächs. Letztere Variante stammt ursprünglich aus der Tanamiwüste, einer desolaten Dürreregion im Norden Australiens.

Wenn es dort regnet, dann reichlich und schlagartig. Die hohen Temperaturen lassen das kostbare Nass jedoch rasch verdunsten. Der Vegetation bleibt dadurch nur wenig Zeit zum Wachsen. Kaum ist das Land ergrünt, verdorrt das meiste auch schon wieder.

Die lokale Population des Australischen Tabaks hat sich genau an diese harten Bedingungen angepasst. Die Pflanzen produzieren größere Samen, keimen schneller und sind wuchsfreudiger als ihre Artgenossinnen in anderen Landesteilen. Aber die Vorteile haben ihren Preis: Um beim Wachstum den Turbo einlegen zu können, mussten die Wüstengewächse eine teilweise genetische Neuprogrammierung durchlaufen.

Diese wiederum schwächte offenbar die pflanzlichen Abwehrkräfte. Sowohl der Tanami-Stamm des Nicotiana benthamiana wie auch ihre Verwandtschaft in den Laboren sind sehr empfindlich gegenüber Infektionen durch Viren und andere Krankheitserreger. Ein Glücksfall für die Forschung.

Wissenschafterinnen wie Eva Stöger nutzen die Verteidigungslücke für ihre Arbeit. Die an der Wiener Universität für Bodenkultur (Boku) tätige Biologin und ihre Kollegen entwickeln neue Verfahren zur Produktion von Spezialproteinen in Pflanzen. Einer ihrer wichtigsten Helfer ist Agrobacterium, ein sogenanntes Phytopathogen, welches eigene DNA-Partikel, Plasmide, in pflanzliche Zellen einschleust.

Maßgeschneiderte Proteine

Der Wissenschaft dient Agrobacterium deshalb oft als Vektor für genetische Manipulationen. Man fügt den bakteriellen Plasmiden die gewünschten Codes bei und injiziert die so ausgestatteten Keime in die Wirtspflanzen.

"Das ist ein wunderbares Werkzeug", schwärmt Stöger. Vor allem in Kombination mit Nicotiana benthamiana. Zwar lässt sich die Methodik auch bei anderen Pflanzenarten anwenden, aber nicht immer mit derselben Effizienz.

Die Herstellung maßgeschneiderter Proteine in lebendigen Zellen, zum Beispiel für Impfpräparate, ist keine Neuheit. Bisher kommen hierfür meistens tierische oder mikrobielle Zellkulturen zum Einsatz.

In vielen Fällen dürften Pflanzen allerdings eine einfache, sichere und schnelle Alternative sein, meint Stöger. Hochkomplexe Proteine lassen sich oft nicht von Bakterien synthetisieren, und Säugetierzellen können unabsichtlich mit Krankheitserregern infiziert werden.

Abgesehen davon ist die pflanzliche Proteinproduktion ein besonders rapides Verfahren. Schon nach zwei Wochen, erklärt Stöger, seien die Proteine "erntereif". Bei geschickter Prozesssteuerung lagern sich die Eiweißkonstrukte sortenrein als kleine Kügelchen, Speicherorganellen genannt, in den Zellen ab. Von dort muss man sie dann nur noch extrahieren.

Dank ihrer schnellen Verfügbarkeit kann das Verfahren vor allem bei Epidemien von größtem Wert sein, wie Stöger erläutert. Erste Einsätze hat es bereits gegeben. Während des Ausbruchs des Ebola-Fiebers 2014 bis 2016 in Westafrika bekamen 36 Infizierte das experimentelle Vakzin ZMapp, eine Mischung aus drei verschiedenen, künstlich hergestellten Antikörpern gegen das Ebola-Virus verabreicht. Sie wurden in Nicotiana benthamiana synthetisiert. Leider war die Wirkung noch unbefriedigend.

Präparat gegen HPV

Stöger selbst ist als Mitglied eines internationalen Expertenteams an der Entwicklung eines neuen, kostengünstigen Präparats gegen den Gebärmutterhalskrebs-Erreger HPV-16 beteiligt. Dieses soll bereits bestehende Infektionen bekämpfen und könnte gerade in Entwicklungsländern viele Menschenleben retten.

Um die Potenziale besser auszuschöpfen, haben Fachleute "Newcotiana" gegründet, einen Zusammenschluss aus 19 verschiedenen Forschungseinrichtungen und Firmen, darunter auch die Boku. Das Konsortium will der Nutzpflanze Tabak quasi ein neues Gesicht geben: modernes Heilkraut statt lebensgefährliches Suchtmittel.

Man setzt dabei nicht nur auf den Australischen Tabak, sondern auch auf den kommerziell genutzten Nicotiana tabacum. In einigen Teilen Europas ist der Tabakanbau eine traditionell wichtige Einkommensquelle für die Landwirtschaft.

Durch den Rückgang des Rauchens sind hier bereits spürbare Verluste entstanden. Der Einsatz von Tabakpflanzen als "biologische Fabriken" für die Produktion von medizinischen Wirkstoffen oder auch Kosmetika, könnte diese womöglich ausgleichen und die Gewächse in ein völlig neues Licht rücken.

Großen Vorschub wird das Projekt wahrscheinlich durch das 2012 entdeckte CRISPR/Cas-System erhalten. Mit dieser Gen-Schere lassen sich DNA-Sequenzen zielgenau an der gewünschten Stelle im Erbgut eines Organismus einbauen. Noch setzen die Newcotiana-Forscher für ihre Eingriffe bevorzugt die klassischen Vektoren ein, doch sie arbeiten längst auch an neuen Protokollen für CRISPR. "Es macht alles einfacher", betont Eva Stöger. (Kurt de Swaaf, 1.11.2019)