Die NASA bereitet sich darauf vor, irgendwann in den 2030er Jahren Menschen zum Mars zu schicken. Die 3-Jahres-Mission wird Astronauten einer langen Zeit der Mikrogravitation aussetzen, was dazu führen wird, dass sie Knochenmasse verlieren. Aber jetzt berichten Wissenschaftler von transgenem Salat, der ein knochenstimulierendes Hormon produziert. Eines Tages könnten Astronauten den Salat im Weltraum anbauen und dabei helfen, Knochenschwund vorzubeugen – indem sie einfach eine große Schüssel Salat essen. Darüber hinaus könnte der Salat dazu beitragen, Osteoporose in Gebieten mit begrenzten Ressourcen hier auf der Erde abzuwehren, sagen die Forscher.
Die Forscher stellen ihre Ergebnisse heute auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vor.
Frühere Studien an Astronauten auf ausgedehnten Weltraummissionen haben gezeigt, dass sie im Durchschnitt mehr als 1 % der Knochenmasse pro Monat im Weltraum verlieren, ein Zustand, der als Osteopenie bekannt ist. „Im Moment haben Astronauten auf der Internationalen Raumstation bestimmte Trainingspläne, um zu versuchen, die Knochenmasse aufrechtzuerhalten“, sagt Kevin Yates, ein Doktorand, der die Arbeit bei dem Treffen vorstellt. „Aber sie sind normalerweise nicht länger als 6 Monate auf der Internationalen Raumstation.“ Im Gegensatz dazu dauert es etwa 10 Monate, um zum Mars zu gelangen, und die Astronauten würden etwa ein Jahr bleiben, um den Planeten zu studieren, bevor sie die Heimreise zur Erde antreten.
Die 3-Jahres-Mission könnte Astronauten anfällig für Osteopenie und später Osteoporose machen. Ein Medikament, das ein Peptidfragment des menschlichen Parathormons (PTH) enthält, stimuliert die Knochenbildung und könnte helfen, die Knochenmasse in der Mikrogravitation wiederherzustellen, erfordert jedoch tägliche Injektionen. Der Transport großer Mengen der Medikamente und Spritzen und deren Verabreichung während Weltraummissionen ist unpraktisch. Also Yates; Somen Nandi, Ph.D.; Karen McDonald, Ph.D.; und ihre Kollegen wollten einen Weg finden, wie Astronauten es selbst herstellen können – während sie gleichzeitig schmackhaftes Gemüse genießen, das in der meist aus Dosen und gefriergetrockneten Nahrung der Astronauten besteht.
„Astronauten können transgene Samen tragen, die sehr klein sind – man kann ein paar tausend Samen in einem Fläschchen von der Größe Ihres Daumens haben – und sie wie normalen Salat anbauen“, sagt Nandi. „Sie könnten die Pflanzen verwenden, um Arzneimittel wie PTH nach Bedarf zu synthetisieren und die Pflanzen dann zu essen.“
Auf der Internationalen Raumstation haben Astronauten bereits gezeigt, dass sie in dieser Umgebung mit begrenzten Ressourcen normalen Salat anbauen können. Yates, Nandi und McDonald, die an der University of California, Davis, arbeiten, wollten einen transgenen Salat entwickeln, der das PTH-Peptid in einer Form exprimiert, die oral statt durch Injektion eingenommen werden kann. Der spezielle Salat könnte auch bei der Behandlung von Osteopenie in Regionen der Erde helfen, die keinen Zugang zu traditionellen Medikamenten haben. Um die Stabilität und Bioverfügbarkeit von PTH im Körper zu erhöhen, hängten sie ein Stück eines anderen Proteins, die Fragment Crystallisable (Fc)-Domäne eines menschlichen Antikörpers, an die PTH-Sequenz an. Frühere Studien haben gezeigt, dass das Fc-Fragment die Zeit verlängert, in der das angehängte Peptid im Blut zirkuliert, wodurch es effektiver wird.
Die Forscher führten ein PTH-Fc-codierendes Gen in Salat ein, indem sie Pflanzenzellen damit infizierten Agrobacterium tumefaciens– eine Bakterienart, die im Labor verwendet wird, um Gene auf Pflanzen zu übertragen. Sie screenten die transgenen Salatpflanzen und ihre Nachkommenschaft auf PTH-Fc-Produktion. Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass die Pflanzen im Durchschnitt etwa 10–12 Milligramm des modifizierten Peptidhormons pro Kilogramm frischem Salat exprimieren. Laut Yates bedeutet dies, dass Astronauten täglich etwa 380 Gramm oder etwa 8 Tassen Salat essen müssten, um eine ausreichende Dosis des Hormons zu erhalten, wenn man von einer Bioverfügbarkeit von etwa 10 % ausgeht, was seiner Meinung nach ein „ziemlich großer Salat“ ist.
„Eine Sache, die wir jetzt tun, ist, all diese transgenen Salatlinien zu screenen, um diejenige mit der höchsten PTH-Fc-Expression zu finden“, sagt McDonald. „Wir haben uns bisher nur einige davon angesehen und festgestellt, dass der Durchschnitt bei 10-12 mg/kg lag, aber wir denken, dass wir das vielleicht noch steigern können. Je höher wir die Expression steigern können, desto kleiner die Menge an Salat, die verzehrt werden muss.“ Das Team will auch testen, wie gut der transgene Salat auf der Internationalen Raumstation wächst und ob er die gleiche Menge an PTH-Fc produziert wie auf der Erde.
Obwohl die Forscher den Salat noch nicht probiert haben, weil seine Sicherheit nicht erwiesen ist, gehen sie davon aus, dass er seinem normalen Gegenstück sehr ähnlich schmecken wird, wie die meisten anderen transgenen Pflanzen. Bevor der transgene Salat die Teller der Astronauten zieren kann, müssen die Forscher jedoch die PTH-Fc-Expressionsniveaus optimieren, und dann werden sie den Salat auf seine Fähigkeit testen, Knochenverlust in Tiermodellen und klinischen Studien am Menschen sicher zu verhindern. Nichtsdestotrotz, sagt Yates voraus, „wäre ich sehr überrascht, dass, wenn bis zu dem Zeitpunkt, an dem wir Astronauten zum Mars schicken, Pflanzen nicht zur Herstellung von Arzneimitteln und anderen nützlichen Verbindungen verwendet werden.“
Entwicklung eines pflanzengenerierten Therapeutikums, das während des Fluges zur Behandlung von Osteopenie in Mikrogravitation hergestellt wird, ACS Spring 2022. acs.digitellinc.com/acs/live/22/page/677