Gentechnisch veränderte Pflanzen produzieren Muttermilchzucker, der zu gesünderer Babynahrung führen könnte

Weltweit trinkt die Mehrheit der Babys – etwa 75 % – in den ersten sechs Monaten ihres Lebens Säuglingsanfangsnahrung, entweder als alleinige Nahrungsquelle oder als Ergänzung zum Stillen. Doch obwohl Säuglingsanfangsnahrung wichtige Nahrung für heranwachsende Babys liefert, kann sie derzeit nicht das gesamte Nährstoffprofil der Muttermilch reproduzieren.

Das liegt zum Teil daran, dass Muttermilch eine einzigartige Mischung aus etwa 200 präbiotischen Zuckermolekülen enthält, die Krankheiten vorbeugen und das Wachstum gesunder Darmbakterien unterstützen. Die meisten dieser Zucker sind jedoch nach wie vor schwer – wenn nicht gar unmöglich – herzustellen.

Neue Forschungsergebnisse unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of California, Berkeley, und der University of California, Davis, zeigen, wie gentechnisch veränderte Pflanzen dazu beitragen können, diese Lücke zu schließen.

In einer neuen Studie veröffentlicht heute im Journal Naturkosthat das Studienteam die Zuckerproduktionsmaschinerie der Pflanzen so umprogrammiert, dass sie eine Vielzahl dieser menschlichen Milchzucker, auch menschliche Milch-Oligosaccharide genannt, produziert. Die Erkenntnisse könnten zu gesünderer und erschwinglicherer Säuglingsnahrung oder nährstoffreicherer milchfreier Pflanzenmilch für Erwachsene führen.

„Pflanzen sind diese phänomenalen Organismen, die Sonnenlicht und Kohlendioxid aus unserer Atmosphäre aufnehmen und daraus Zucker herstellen. Und sie stellen nicht nur einen Zucker her – sie produzieren eine ganze Vielfalt einfacher und komplexer Zucker“, sagte der leitende Autor der Studie, Patrick Shih, Assistenzprofessor für Pflanzen- und Mikrobiologie und Forscher am Innovative Genomics Institute der UC Berkeley. „Wir dachten, da Pflanzen bereits über diesen zugrunde liegenden Zuckerstoffwechsel verfügen, warum versuchen wir nicht, ihn umzuleiten, um Oligosaccharide für menschliche Milch herzustellen?“

Alle komplexen Zucker – einschließlich der Oligosaccharide aus Muttermilch – bestehen aus Bausteinen einfacher Zucker, den sogenannten Monosacchariden, die miteinander verknüpft werden können, um eine Vielzahl von Ketten und verzweigten Ketten zu bilden. Was die Oligosaccharide aus Muttermilch einzigartig macht, sind die spezifischen Verknüpfungsregeln, die in diesen Molekülen zur Verbindung einfacher Zucker gefunden werden.

Um Pflanzen dazu zu bringen, menschliche Milch-Oligosaccharide zu produzieren, veränderte Collin Barnum, Erstautor der Studie, die Gene, die für die Enzyme verantwortlich sind, die diese spezifischen Bindungen herstellen. In Zusammenarbeit mit Daniela Barile, David Mills und Carlito Lebrilla von der UC Davis führte er die Gene dann in die Pflanze Nicotiana benthamiana ein, eine enge Verwandte des Tabaks.

Die gentechnisch veränderten Pflanzen produzierten 11 bekannte menschliche Milch-Oligosaccharide sowie eine Vielzahl anderer komplexer Zucker mit ähnlichen Verknüpfungsmustern.

„Wir haben alle drei Hauptgruppen menschlicher Milch-Oligosaccharide hergestellt“, sagte Shih. „Meines Wissens hat noch niemand gezeigt, dass man alle drei dieser Gruppen gleichzeitig in einem einzigen Organismus herstellen kann.“

Barnum arbeitete dann an der Schaffung einer stabilen Linie von N. benthamiana-Pflanzen, die für die Produktion eines einzigen menschlichen Milch-Oligosaccharids namens LNFP1 optimiert waren.

„LNFP1 ist ein fünf Monosaccharide langes Oligosaccharid aus menschlicher Milch, das angeblich sehr nützlich sein soll, aber bisher mit herkömmlichen Methoden der mikrobiellen Fermentation nicht in großem Maßstab hergestellt werden kann“, sagte Barnum, der die Arbeit als Doktorand an der UC Davis abgeschlossen hat. „Wir dachten, wenn wir anfangen könnten, diese größeren, komplexeren Oligosaccharide aus menschlicher Milch herzustellen, könnten wir ein Problem lösen, das diese Branche derzeit nicht lösen kann.“

Derzeit kann mithilfe gentechnisch veränderter E. coli-Bakterien eine kleine Handvoll Oligosaccharide für Muttermilch hergestellt werden. Die Isolierung der nützlichen Moleküle von anderen toxischen Nebenprodukten ist jedoch ein kostspieliger Prozess, und nur eine begrenzte Anzahl von Babynahrungsmitteln enthält diese Zucker in ihren Mischungen.

Im Rahmen der Studie haben Shih und Barnum gemeinsam mit ihrem Kollegen Minliang Yang von der North Carolina State University die Kosten für die Produktion von humanen Milch-Oligosacchariden aus Pflanzen im industriellen Maßstab abgeschätzt. Dabei stellten sie fest, dass dies wahrscheinlich günstiger wäre als die Verwendung mikrobieller Plattformen.

„Stellen Sie sich vor, Sie könnten alle Oligosaccharide für Muttermilch in einer einzigen Anlage herstellen. Dann könnten Sie diese Anlage einfach zermahlen, alle Oligosaccharide gleichzeitig extrahieren und diese direkt der Säuglingsnahrung beifügen“, sagte Shih. „Die Umsetzung und Vermarktung wäre mit vielen Herausforderungen verbunden, aber das ist das große Ziel, auf das wir hinarbeiten.“

Weitere Autoren sind Bruna Paviani, Garret Couture, Chad Masarweh, Ye Chen, Yu-Ping Huang, David A. Mills, Carlito B. Lebrilla und Daniela Barile von der UC Davis, Kasey Markel von der UC Berkeley und Minliang Yang von der North Carolina State University.