Stoffwechsel exakt bestimmen

Perlen der Forschung Stoffwechsel exakt bestimmen

Alle Lebewesen nehmen Nahrung, Luft und Flüssigkeit zu sich und wandeln diese in Energie und Stoffwechselprodukte um. Woraus bestehen sie und wie kann man sie nutzen? Das ist eine Frage, der sich Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie widmen.

Keimlinge von Arabidopsis-Varianten werden unter standardisierten Bedingungen gezogen, um die Funktionen der verschiedenen Gene zu entschlüsseln.

Keimlinge der Ackerschmalwand bilden die Basis für die Forschung über Stoffwechselprodukte.

Foto: Norbert Michalke

Lothar Willmitzer erläuterte seine Forschungen der Bundeskanzlerin Angela Merkel im Januar 2017 am Beispiel des Weins: "Wein besteht zu 85 Prozent aus Wasser, 14 Prozent aus Alkohol. Der Rest, das sind diese vielen, vielen Inhaltsstoffe wie Stoffwechselprodukte, Vitamine, Aminosäuren und vieles mehr - und davon gibt es viele Tausend."

Lothar Willmiter, Staatssekretär Sontowski, Bundeskanzlerin Angela Merkel und Bundesministerin Johanna Wanka bei der Präsentation "Perlen der Forschung".

Professor Willmitzer erläutert der Bundeskanzlerin seine Forschungen.

Foto: Ausserhofer/MPG

Mit den Inhaltsstoffen lässt sich ein Wein ganz exakt bestimmen und vergleichen. Denn die Kombination seiner Inhaltstoffe ist einmalig, quasi ein Fingerabdruck des Weins. Wenn man von einem Wein den Jahrgang weiß, darüber hinaus, dass er aus einer bestimmten Rebsorte besteht, von einem bestimmten Winzer und einer definierten Lage kommt, so kann man aus unbekannten Proben herausfinden, welche genau diesem Wein entspricht.

Hochgradig genaue Bestimmung

Das Problem, das die Forscher vom Max-Planck-Institut für Pflanzenphysiologie gelöst haben, ist die hochgradig genaue Bestimmung von Inhaltsstoffen in Stoffwechselprodukten von Pflanzen. Klassische biochemische Analysemethoden reichen nicht aus, um die riesige Zahl an Pflanzeninhaltsstoffen zu untersuchen.

Die Lösung war die Entwicklung eines Massenspektrografen, einer Kombination von zwei Analysegeräten zur Bestimmung von chemischen Verbindungen und dem Gewicht von Molekülen. Damit können alle Stoffwechselprodukte eines Organismus – die so genannten Metabolome – aufs Genaueste ermittelt werden. Willmitzer ist Mitbegründer eines neuen Forschungsfeldes, der Metabolomik.

Ackerschmalwand in der Forschung

Ackerschmalwand in der Forschung

Foto: Norbert Michalke

So untersuchten die Forscher die Ackerschmalwand oder Gänserauke, eine unscheinbare Ackerpflanze, deren Erbinformation weitgehend geklärt ist. Durch gezieltes Ausschalten bestimmter Gene in der Zelle ließ sich feststellen, für welche Stoffwechselprodukte einzelne Gene verantwortlich sind.

Die Forschung gibt auf diese Weise Hinweise, wie sich neue Pflanzensorten züchten lassen, die bestimmte Stoffwechselprodukte in größerer oder kleinerer Menge gegenüber der herkömmlichen Pflanze produzieren. So sind höhere Erträge möglich, die verstärkte Produktion bestimmter Vitamine oder eine verstärkte Widerstandsfähigkeit gegenüber Trockenheit.

Analyse- und Diagnoseverfahren

Foto eines Massenspektrometer.

Analyse im Massenspektrometer

Foto: Norbert Michalke

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der neuen Methode ist die Analyse von Lebensmitteln. Wie am Beispiel des Weins verdeutlicht, kann die Herkunft von Lebensmitteln genau festgestellt werden.

Das Verfahren ist aber nicht nur auf pflanzliche Stoffwechselprodukte anwendbar. Es gilt in gleicher Weise für tierische Organismen bis hin zum Menschen. Die Analyse von Stoffwechselprodukten etwa im Blut des Menschen gibt eindeutige Hinweise für die Diagnose von Krankheiten wie Krebs oder Diabetes. Mit dem Verfahren lassen sich unterschiedliche Stufen des Darmkrebses unterscheiden.

Das sehr genaue Verfahren bietet auch Chancen für eine ganz auf das einzelne Individuum zugeschnittene Behandlung.

Datenbank für prognostische Medizin

Die Forscherinnen und Forscher arbeiten an einer Datenbank für prognostische Medizin. In einer riesigen Stichprobe im Rahmen der Gesundheitsstudie "Nationale Kohorte" werden Blut- und Urinproben von 200.000 Menschen gesammelt und die gesundheitliche Entwicklung der betroffenen Personen über einen langen Zeitraum verfolgt.

Es lassen sich dann etwa nach zehn Jahren Stichproben von Personen zusammenstellen, die eine bestimmte Krankheit bekommen haben. Anhand der viele Jahre zuvor gesammelten Proben lässt sich nun untersuchen, ob bestimmte Stoffwechselprodukte typisch für die Erkrankten sind. So ließe sich aus einer ähnlichen Kombination von Stoffwechselprodukten die Krankheit vorhersagen und so möglicherweise verhindern.

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