Wunderwaffen aus der Tiefsee
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Im Kampf ums Dasein entwickeln Meeresbewohner besondere Überlebensstrategien. Sie wehren sich gegen mögliche Angreifer, Mikroben, Viren oder Bakterien mit Substanzen. Diese geraten jetzt verstärkt in den Blick der Wissenschaft – als mögliche Grundlage für Wirkstoffe in Pharmazie und Kosmetik.
Blasentang wird von Mikroben besiedelt. Sie enthalten Stoffe, die auch gegen Krankenhauskeime und Hautkrebs wirken. Bild: Shutterstock/gabriel12
Der spanische Dreimaster „San José“ sank mit einem lauten Knall vor mehr als 300 Jahren im karibischen Meer vor der kolumbianischen Küste. Von britischen Kriegsschiffen abgeschossen, gingen mit ihm nicht nur fast 600 Seeleute unter, sondern auch Hunderte Tonnen Gold- und Silbermünzen sowie zahlreiche Smaragde. Noch heute liegt das Segelschiff auf dem Meeresboden vor dem kolumbianischen Archipel Islas del Rosario und gilt mit einem Wert von bis zu 15 Milliarden Dollar als einer der größten ungeborgenen Schätze der Welt. Der wahre Schatz aber lebt um das Schiff herum, schwimmt hindurch, setzt sich an den jahrhun-dertealten Kisten fest und wird der Menschheit viel mehr Nutzen bringen, als es Gold, Silber und Smaragde je könnten.
Bis zu drei Millionen Bakterienarten, mehr als 300.000 unterschiedliche Algenarten, 5.000 bislang bekannte Korallenarten, eine Milliarde Mikrobenarten – eine schier unerschöpfliche Vielfalt lebt unter Wasser. Meere und Ozeane bedecken rund 72 Prozent der Erdoberfläche, und 95 Prozent der Unterwasserwelt gelten als unerforscht. Die marine Artenvielfalt birgt einen Schatz an Naturstoffen, der sich für die Menschen nutzen lässt. Das beweisen Wissenschaftler täglich in zahlreichen Untersuchungen an Korallen, Algen und Bakterien. Sie erforschen sogenannte marine Wirkstoffe – chemische Verbindungen, die von Organismen aus dem marinen Lebensraum gebildet werden und im menschlichen Körper biologische Wirkungen hervorrufen. Ebenso versuchen die Wissenschaftler, aus der Erforschung physikalischer oder chemischer Prozesse in der Unterwasserwelt medizinischen Nutzen zu ziehen.
Anton Eisenhauer, Professor für Marine Umweltgeochemie am Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel, ist wissenschaftlicher Leiter des Start-ups osteolabs. Im wissenschaftlichen Alltag hat er mit Medizin und Wirkstoffen eigentlich nichts zu tun: Er erforscht anhand von Korallen zum Beispiel die Veränderung der Meerestemperaturen – bis zu mehreren Millionen Jahre reichen die Daten zurück, das Alter lässt sich durch eine Analyse der Calciumisotope in der Mineralstruktur der Korallen bestimmen. Eines Abends hatte Anton Eisenhauer beim Bier mit Freunden eine bahnbrechende Idee: „Die Calciumaufnahme in Korallen und das menschliche Skelett ähneln sich. Müsste man über die Calciumisotope nicht also auch pathologische Veränderungen in den menschlichen Knochen erkennen können?“
<p>„Zu dem Zeitpunkt, an dem man normalerweise Osteoporose diagnostiziert, hat der Patient in der Regel schon 30 bis 40 Prozent der Skelettmasse verloren."</p><p></p>
Deniz Tasdemir kombiniert Methoden aus der Bio- und Chemieinformatik mit maschinellem Lernen. Bild: GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel/Andreas Villwock
Er untersuchte, unbürokratisch und wohlwissend unrepräsentativ, den Urin seines vierjährigen Sohnes und den einer 60-jährigen Technikerin aus seinem Team, die an Osteoporose litt, und verglich die Ergebnisse miteinander. Und tatsächlich: Die Krankheit war anhand der im Urin vorhandenen Calciumisotope deutlich erkennbar. Es dauerte mehr als zehn Jahre, bis die Idee auf Basis von Studien zum Produkt umgesetzt werden konnte: Seine Firma osteolabs brachte schließlich einen Frühtest auf den Markt, der die Knochenkrankheit weit früher erkennt, als die Patienten die ersten Symptome spüren. Den Test gibt es für Arztpraxen ebenso wie als Heimanwendung. „Zu dem Zeitpunkt, an dem man normalerweise Osteoporose diagnostiziert, hat der Patient in der Regel schon 30 bis 40 Prozent der Skelettmasse verloren“, erläutert der Forscher, dessen Unternehmen für den renommierten Wissenschaftspreis EARTO nominiert ist und im September mit dem Innovationspreis der Werner-Petersen-Stiftung für gelungenen Technologietransfer ausgezeichnet wurde. Der Test könnte sich neuen Studien zufolge auch für die Diagnostik einer beginnenden Niereninsuffizienz eignen, da sich auch hier Veränderungen der Calciumisotope zeigen.
Das Potenzial wirbelloser Meerestiere als Basis für Wirkstoffe unterschiedlichster Art ist auch Bestandteil der Forschungen von Marcel Jaspars, Professor am Chemie-Institut der Universität Aberdeen. Er gilt als weltweit führende Autorität auf dem Gebiet der marinen Biodiversitätsforschung. „Ein bedeutender Teil der Artenvielfalt der Erde besteht aus marinen Arten. Und diese haben Mechanismen entwickelt, um in einer Umwelt zu überleben, die im Vergleich zum Land extrem feindlich ist in Bezug auf Licht, Salzgehalt und den Druck zum Überleben“, stellt Marcel Jaspars fest. Sie produzieren Chemikalien gegen Raubtiere, bilden Symbiosen und übertrumpfen ihre Konkurrenten beim Kampf um begrenzte Ressourcen. „Viele dieser Verbindungen sind mit ihrer chemischen Struktur und biologischen Aktivität einzigartig.“
„Für Epilepsie, Alzheimer und Krebserkrankungen warten Antworten unter Wasser, die es zu finden gilt.“
Carrageen kommt schon länger in Nasensprays zum Einsatz und soll auch gegen SARS-CoV-2 wirksam sein. Bild: Shutterstock
Marcel Jaspars spürt, dass das Interesse am Meer deutlich zunimmt: „Für Epilepsie, Alzheimer und Krebserkrankungen warten Antworten unter Wasser, die es zu finden gilt“, ist er überzeugt, und auch bei der Suche nach Strategien gegen Antibiotikaresistenzen könnte die Forschung in den Ozeanen fündig werden. In Projekten wie PharmaSea oder MarPipe schließen sich europaweit Institute zusammen, darunter auch das Geomar, um gemeinsam mit industriellen Partnern Know-how zu bündeln und sogenannte Bioaktivstoffe aufzuspüren, die als Arznei-mittel genutzt werden könnten. Mittlerweile basieren bereits acht klinisch zugelassene Medikamente auf marinen Naturstoffen, davon wirken fünf gegen Krebs. 28 weitere befinden sich in klinischen Studien.
Weitere 34.000 bereits bekannte Substanzen aus dem Meer könnten zudem noch daraufhin untersucht werden, ob sie sich als neuer Wirkstoff oder Antibiotikum eignen. Laut Marcel Jaspars dauert es bislang bis zu 20 Jahre, bis aus einem potenziellen Wirkstoff ein Medikament wird. Um dies zu beschleunigen, sind neue Wege gefragt.
Wie die aussehen können, hat Deniz Tasdemir gerade gezeigt, Professorin am Geomar und Leiterin der Forschungseinheit Marine Naturstoff-chemie: Sie kombiniert modernste analytische Ansätze mit Methoden aus der Bio- und Chemieinformatik sowie aus dem maschinellen Lernen. So ist es ihr mit ihrem Team gelungen, im Blasentang Fucus vesiculosus und seinen Pilzsymbionten – die auch in der Ostsee beheimatet sind – vielversprechende Wirkstoffe zu finden. Sie wirken beispielsweise gegen die umgangssprachlich auch als Krankenhauskeime bezeichneten MRSA-Bakterien und gegen Hautkrebs. In ihnen kommt der Schutzmechanismus der Alge zum Tragen: Blasentang wird in der Natur oft überwuchert, Millionen Mikroorganismen bilden auf dem Tang einen feinen Film. Membrangebundene Verbindungen, wie sie Deniz Tasdemir und ihr Team nun identifizierten, schützen die Alge vor bestimmten Mikroben und wirken auch gegen Krankheitserreger im Menschen.
Ein Wirkstoff aus der Rotalge – Carragelose – soll auch vor dem neuartigen Coronavirus schützen können. Bild: Shutterstock/HedvikaMichnova.jpg
Ein Wirkstoff aus einer Rotalge soll sogar vor dem neuartigen Coronavirus schützen können: Carragelose. Das hat das österreichische Unter-nehmen Marinomed Biotech unlängst vermeldet: „Wir konnten mit ersten Tests zeigen, dass Carragelose auch gegen SARS-CoV-2 ein wirksamer Virusblocker ist. Ähnlich wie Antikörper kann Carragelose die Viren neutralisieren und so die Zellen vor einer Infektion schützen“, sagt Eva Prieschl-Grassauer von Marinomed Biotech. Carrageen heißen die langkettigen Kohlenhydrate, die aus roten Meeresalgen gewonnen werden und auch in der Lebensmittelindustrie weit verbreitet sind. Sie kommen schon länger in Nasensprays zum Einsatz. Den Verdacht der Wirksamkeit gegen Coronaviren sollen nun laut Hersteller Erfahrungswerte aus argentinischen Krankenhäusern bekräftigen. Carragelose wurde experimentell zusammen mit dem Mittel Ivermectin verabreicht, das sonst als Mittel gegen Krätzemilben und andere Parasiten eingesetzt wird. „Ein Einsatz der Nasensprays verkürzte die Erkrankungszeit um bis zu vier Tage und verhinderte außerdem, prophylaktisch angewendet, dass sich medizinisches Personal ansteckte“, berichtet Eva Prieschl-Grassauer. Bislang gibt es allerdings noch keine unabhängigen Langzeitstudien, die die Wirksamkeit bestätigen.
Das Interesse an den marinen Bioressourcen ist so ausgeprägt, dass die drohende Ausbeutung von Korallen, Schwämmen, Algen und Seescheiden, Mollusken und Fischen bereits in den Fokus der Vereinten Nationen gerückt ist. Die internationale Gemeinschaft verhandelt derzeit über ein neues Instrument, das die biologische Vielfalt der Meere regeln soll. Ein Anliegen ist es, Biopiraterie zu verhindern – durch die sich skrupellose Staaten oder Unternehmen einfach an diesem Schatz bedienen. Die „San José“, der spanische Dreimaster mit seiner tragischen Geschichte, teilt ein ganz ähn-liches Schicksal. Dem geltenden Recht nach gehört der Schatz dem Land, von dem aus das Schiff gestartet ist, also Spanien. Das aber will Kolumbien nicht anerkennen, und so bleibt der Goldschatz weiterhin unter dem Meer. Immerhin: Dort ist
er in Gesellschaft des gewaltigen maritimen Bioschatzes, den die Menschheit erst allmählich für sich entdeckt.
Osteolabs
Von der Korallenforschung zu einem marktreifen Früherkennungstest für Osteoporose: Osteolabs ist ein Beispiel für einen Technologietransfer bei Helmholtz. Das Projekt wurde von 2016 bis 2019 im Rahmen des Helmholtz-Validierungsfonds gefördert und mithilfe einer Helmholtz-Enterprise-Förderung erfolgreich ausgegründet.
www.helmholtz.de/technologietransfer/
Am 28. Oktober 2020 wurde Osteolabs mit dem Innovation Award der European Association of Research and Technology Organisations (EARTO) ausgezeichnet. Der EARTO Innovationspreis prämiert jährlich Innovationen mit erheblichem sozialen und/oder wirtschaftlichem Einfluss. Eine unabhängige Jury wählt Projekte aus, die das Potenzial haben, einen gesellschaftlichen oder wirtschaftlichen Wandel zu initiieren.
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