Naturstoffe für die Biotechnologie

Insekten sind Überlebenskünstler. Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher in Gießen wollen diese Talente für den Menschen nutzbar machen. Daher erforschen sie Insekten mit ungewöhnlichen Fähigkeiten auf der Suche nach Naturstoffen für die Biotechnologie – unter anderem zur Entwicklung neuer Antibiotika.

Schatzsuche im Reich der Insekten

© Foto Fraunhofer, Piotr Banczerowski

Der Totengräber-Käfer besitzt einzigartige Fähigkeiten. Mit seinen Verdauungssäften kann er etwa Kadaver verflüssigen, um sie an seinen Nachwuchs zu verfüttern. Dies könnte zum Beispiel für die Verwertung von Schlachtabfällen nützlich sein.

Professor Andreas Vilcinskas ist Direktor des Instituts für Insektenbiotechnologie an der Universität Gießen und Leiter der Fraunhofer-Projektgruppe Bioressourcen.
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»Von Insekten lernen, heißt siegen lernen.« Professor Andreas Vilcinskas prägt das Forschungsgebiet der Insektenbiotechnologie wegweisend mit.

Wenn Philipp Heise neue Totengräber-Käfer für seine Forschungen braucht, geht er in den Wald. Dort vergräbt er einige Joghurtbecher und legt ein Stück Aas darauf. Durch den Verwesungsgeruch werden Totengräber angelockt, die das Fleisch als Vorrat für ihre Jungen konservieren möchten. Sobald ein Käfer beginnt, das Aas mit seinem Speichel einzubalsamieren, fällt er in den Becher und landet schließlich im Labor der Fraunhofer-Projektgruppe Bioressourcen in Gießen.

Dort ist der Totengräber der Gattung Nicrophorus in bester Gesellschaft anderer Insekten, die wie er über außergewöhnliche Fähigkeiten verfügen und daher prädestiniert sind als Forschungsobjekt für die Insektenbiotechnologie – einem innovativen Forschungsgebiet, das von Professor Dr. Andreas Vilcinskas geprägt wurde. Vilcinskas ist Professor für Angewandte Entomologie an der Universität Gießen und Leiter der Fraunhofer-Projektgruppe Bioressourcen. Die Projektgruppe ist Teil des LOEWE-Zentrums für Insektenbiotechnologie und Bioressourcen, das Vilcinskas mit Hilfe des hessischen Forschungsförderprogramms LOEWE aufgebaut hat und heute leitet.

»Durch die enge Anbindung an die Universität können wir das akademische Netzwerk nutzen und bei Fraunhofer Produkte entwickeln, die wir mit der Industrie auf den Markt bringen«, betont Vilcinskas. Zurzeit sind die rund 85 Mitarbeitenden der Projektgruppe noch auf fünf Standorte verteilt. In zwei Jahren werden sie das neue Forschungsgebäude beziehen können, das zurzeit in Gießen gebaut wird.

Fraunhofer IME - Naturstoffe für die Biotechnologie

Suche nach neuen Antibiotika und Pflanzenschutzmitteln

Um hocheffiziente PERC-Solarzellen in Serie herzustellen, entwickelten Dr. Jan Nekarda und Dr.-Ing.Ralf Preu (v.l.n.r.) den Laser Fired Contact-Prozess.
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Doktorand Phillip Heise isoliert und kultiviert an der Sterilbank Bakterien aus dem Darm des Totengräber-Käfers.

Auf Petrischalen kultiviert Philipp Heise Mikroorganismen, die er aus dem Darm von Totengräber-Käfern isoliert hat – auf der Suche nach neuen Antibiotika.
© Foto Fraunhofer, Piotr Banczerowski

Auf Petrischalen kultiviert Philipp Heise Mikroorganismen, die er aus dem Darm von Totengräber-Käfern isoliert hat – auf der Suche nach neuen Antibiotika.

Jens Grobmann testet die Wirkung von Naturstoff-Extrakten auf Blattläuse.
© Foto Fraunhofer, Piotr Banczerowski

Jens Grobmann testet die Wirkung von Naturstoff-Extrakten auf Blattläuse.

Der Totengräber-Käfer ist ein ideales Studienobjekt für die Insektenbiotechnologie, da er biologische Höchstleistungen vollbringt. Zum einen verfügt der zwei Zentimeter kleine, orange-schwarz gestreifte Käfer über spezielle Konservierungsstoffe, mit denen er eine ganze Maus vor der Verwesung schützen kann. Zum zweiten kann er mit seinen Verdauungssäften den mumifizierten Mäusekadaver verflüssigen und so an seine Jungen verfüttern. »Die Sekrete, die der Käfer ausscheidet, werden von Bakterien und Pilzen in seinem Darm produziert«, hat Doktorand Philipp Heise beobachtet. Der Doktorand des Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME konnte bereits über 250 solcher Mikroorganismen nachweisen, rund 100 davon ließen sich auch kultivieren.

Einer davon ist die Hefe Yarrovia lipolytica. Sie ist in der Lage das Kadaverin, das für den Verwesungsgeruch verantwortlich ist, abzubauen. »Die Hefe oder aus ihr gewonnene Enzyme könnten in Tierkörperbeseitigungsanstalten genutzt werden, um die Geruchsbelästigung zu reduzieren«, meint Heise. Wichtigstes Ziel des Projekts ist allerdings die Suche nach Antibiotika gegen multiresistente Krankenhauskeime. Dazu werden Extrakte aus den von Philipp Heise isolierten Mikroorganismen in der Frankfurter Niederlassung des französischen Pharmakonzerns Sanofi im Hochdurchsatzverfahren getestet.

Sanofi ist ein wichtiger Partner von Andreas Vilcinskas. Als das Unternehmen die Naturstoffforschung schließen und seine mikrobiologische Stammsammlung auflösen wollte, hatte Vilcinskas eine innovative Idee: Fraunhofer übernimmt die einzigartige Naturbibliothek und bringt verschiedene Partner zusammen, die sie für unterschiedliche Anwendungen nutzen. Für die Suche nach neuen Pflanzenschutzmitteln holte Vilcinskas den amerikanischen Konzern Dow AgroSciences mit ins Boot. Jens Grobmann betreut die Versuche des Kooperationsprojekts mit Dow, bei dem die Extrakte aus der Sanofi Stammsammlung auf ihre Wirkung gegen Blattläuse getestet werden. Dazu sät der Techniker Radieschen in breiten Reagenzgläsern auf einem gelartigen Nährmedium aus. Sobald die Radieschen einige Zentimeter groß sind, beträufelt er sie mit einem Extrakt, setzt Blattläuse darauf und stellt die Gläser in einen Klimaschrank, wo sie unter definierten Bedingungen weiter wachsen. In den nächsten Tagen beobachtet Jens Grobmann, wie die Blattläuse auf den Extrakt reagieren. Findet er interessante Reaktionen, werden die Forschungen bei Dow in den USA weiterverfolgt. 

Gelbe Biotechnologie als Zukunftschance

Wenn Andreas Vilcinskas vom Potenzial der Insektenbiotechnologie spricht, sprüht er vor Ideen. Er sieht das Forschungsfeld als neuen Zweig neben der roten, grünen und weißen Biotechnologie. So schuf er den Begriff der »gelben Biotechnologie« – angelehnt an die gelbe Farbe des Insektenbluts, der Hämolymphe. »Ich bin überzeugt, dass die Natur die besten Antibiotika erfunden hat. Wir müssen sie nur finden«, meint der Wissenschaftler.

Eines der ersten und spannendsten Forschungsobjekte der Biotechnologen im LOEWE-Zentrum ist der asiatische Marienkäfer Harmonia axyridis. Er breitet sich seit Jahren in Europa aus und verdrängt dabei nach und nach die heimischen Marienkäferarten. Das macht ihn für die Forschung interessant. Auf der Suche nach dem Erfolgsgeheimnis des asiatischen Marienkäfers entdeckte Vilcinskas Team in der Hämolymphe, dem Blut des Käfers, eine antimikrobiell wirksame Substanz. Angelehnt an den Artnamen des Marienkäfers wurde die Substanz Harmonin genannt. Um seine Wirkung auf menschliche Krankheitserreger testen zu können, wurde es synthetisch hergestellt. Tobias Gegner klärt jetzt in seiner Doktorarbeit den Stoffwechselweg des Harmonins auf.
In Labortests hat die Substanz bereits ihre Wirksamkeit gegen verschiedene Krankheitserreger bewiesen. »In Kooperation mit dem Paul-Ehrlich Institut in Frankfurt untersuchen wir, ob sich Harmonin als Basis für die Entwicklung eines Medikaments gegen Leishmaniose eignet«, berichtet Vilcinskas. »Die von Sandmücken übertragene Erkrankung verursacht jährlich rund zwei Millionen Infektionen und breitet sich durch die Klimaerwärmung von den Tropen Richtung Norden aus.« 

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