Es ist eines der wichtigsten Enzyme in der medizinischen Diagnostik: Meerrettich-Peroxidase wird für viele medizinische Produkte verwendet – häufig kommt sie dann zum Einsatz, wenn ein Farbumschlag eines Teststreifens das Vorhandensein von Antikörpern oder anderen Proteinen nachweisen soll.
Allerdings herrscht in letzter Zeit ein Mangel an Meerrettich-Peroxidase, da sie aus Meerrettichwurzeln gewonnen wird, was große Nachteile mit sich bringt: Der landwirtschaftliche Ertrag ist nicht immer gleich, die Wurzeln produzieren nicht nur eine Variante des Enzyms, sondern ein Ganzes Familie ähnlicher Enzyme in unterschiedlichen Mengen.
Aus diesem Grund beschlossen Wissenschaftler der TU Wien, eine zuverlässige und präzise Synthesemethode im Labor zu entwickeln. Nach jahrelanger Forschung ist ihnen nun ein Erfolg gelungen: Die Produktion von Meerrettich-Peroxidase ist nun mit Hilfe von E. coli-Bakterien möglich. Es wird nur ein bestimmtes Enzym präzise reproduzierbar hergestellt und der Prozess kann auf die großtechnische Industrieproduktion ausgeweitet werden. Nachdem die TU Wien bereits zwei Patente angemeldet hat, ist sie nun auf der Suche nach Industriepartnern.
Unberechenbares Gemüse
„Wenn man Meerrettich-Peroxidase aus Pflanzen extrahiert, erhält man keine chemisch genau definierte Substanz“, sagt Prof. Oliver Spadiut vom Institut für Chemie-, Umwelt- und Bioingenieurwissenschaften der TU Wien. „Abhängig von den Umweltbedingungen produziert die Pflanze unterschiedliche Mengen unterschiedlicher Enzyme.“ Für bestimmte medizinische Anwendungen sind solche Substanzen überhaupt nicht einsetzbar – beispielsweise wäre es absolut unverantwortlich, einem Menschen eine solche Mischung verschiedener Enzyme zu injizieren.
In der medizinischen Diagnostik sind die Regeln weniger streng und für Western Blots oder ELISAs wird Meerrettichperoxidase verwendet. Bei diesen Techniken werden bestimmte Antikörper an das Enzym gekoppelt. Der Antikörper dockt an ein bestimmtes Molekül an und das Enzym löst daraufhin einen Farbumschlag aus. Auf diese Weise kann die Anwesenheit bestimmter Moleküle sichtbar gemacht werden.
„Wir erleben derzeit weltweit einen Mangel an diesem Enzym“, sagt Spadiut. „Einer der Gründe dafür ist der Klimawandel und schlechte Ernten. Wenn sich die Umweltbedingungen ändern, verändert die Pflanze auch die Zusammensetzung der produzierten Enzyme auf schwer vorhersehbare Weise.“ Gleichzeitig steigt jedoch die weltweite Nachfrage: Das Marktvolumen für den Meerrettich-Peroxidase-Handel wird in den nächsten Jahren schätzungsweise mehr als 90 Millionen Euro pro Jahr erreichen.
Ein Bakterium zur Rettung
Oliver Spadiut und sein Team machten sich daher daran, ein rekombinantes Herstellungsverfahren für das wertvolle Enzym zu entwickeln. Das Gen zur Produktion der Meerrettich-Peroxidase wurde im Labor in Hefezellen, Säugetierzellen und E. coli-Zellen eingefügt. Alle drei Wirte produzierten tatsächlich das gewünschte Enzym, doch als beste technische Lösung erwies sich der Einsatz von E. coli – einem bekannten Bakterium, das bereits mehrfach mit großem Erfolg in der Biotechnologie eingesetzt wurde.
Dabei entsteht jedoch nicht direkt ein funktionsfähiges Enzym, sondern ein sogenannter „Einschlusskörper“ – ein Protein, das biochemisch mit dem gewünschten Enzym identisch, aber geometrisch anders gefaltet ist. In einem weiteren Schritt muss daher der Einschlusskörper entwirrt und dann in die richtige Form gefaltet werden, ähnlich wie man ein Wollknäuel abwickelt und es dann zu einem geordneten Knäuel zusammenrollt.
Gerade in diesem Forschungsgebiet, der Verarbeitung von Einschlusskörpern, verfügt Spadiuts Team über große Erfahrung – und so gelang es der TU Wien erstmals überhaupt, ein zuverlässiges, reproduzierbares Verfahren zur Herstellung von Meerrettich-Peroxidase zu entwickeln. Patente wurden bereits angemeldet und der Prozess ist abgeschlossen. „Wir könnten morgen damit beginnen, die Methode im industriellen Maßstab anzuwenden“, sagt Spadiut. „Wir haben hier nicht nur ein theoretisches Konzept, sondern eine bewährte Methode, die für die industrielle Anwendung bereit ist.“
Nächster Schritt: Krebstherapie?
Da es nun gelungen ist, Meerrettich-Peroxidase in einer genau definierten und hochreinen Weise herzustellen, sind völlig neue Anwendungen über die Diagnostik hinaus denkbar. „Zum Beispiel könnte man Meerrettich-Peroxidase jetzt auch zur Krebstherapie nutzen, indem man sie an Antikörper koppelt, die dann ganz spezifisch an Krebszellen andocken“, sagt Spadiut.
„Wir gehen daher davon aus, dass das Marktvolumen der Meerrettich-Peroxidase mit vielen neuen Anwendungen sogar noch dramatisch ansteigen könnte.“ Er will nun Gespräche mit interessierten Pharmaunternehmen führen, um möglichst schnell die technologische Anwendung der neuen Erfindung einzuleiten.