Forscher entdecken Impfstoff zur Stärkung des Immunsystems von Pflanzen

Forscher der Universität Münster haben jetzt herausgefunden, dass Pflanzen auf ein ganz bestimmtes Muster in diesem Chitosan mit einer Stimulierung ihres Immunsystems reagieren. Sie arbeiten bereits daran, ein Immunstimulans für Pflanzen zu entwickeln, um den Einsatz chemischer Pestizide in der Landwirtschaft verringern zu können.

Ähnlich wie Menschen und Tiere haben auch Pflanzen eine Art Immunsystem. Sie können zum Beispiel krankmachende Pilze am Chitin in den Pilzzellwänden erkennen und erfolgreich abwehren.

Manche Pilze verstecken sich vor dem Immunsystem, indem sie einige der Chitin-Bausteine modifizieren: es entsteht Chitosan. Forscher der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) haben jetzt herausgefunden, dass Pflanzen auf ein ganz bestimmtes Muster in diesem Chitosan mit einer Stimulierung ihres Immunsystems reagieren.

Sie arbeiten bereits daran, ein Immunstimulans für Pflanzen zu entwickeln, um den Einsatz chemischer Pestizide in der Landwirtschaft verringern zu können. Ihre Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift JACS (Journal of the American Chemical Society) veröffentlicht.

Zum Hintergrund

Chitosane sind Polysaccharide, sogenannte Vielfachzucker, und es sind die wahrscheinlich vielfältigsten und vielversprechendsten funktionellen Biopolymere. Sie machen Pflanzen gegen Krankheiten resistent, fördern ihr Wachstum und schützen sie vor Hitze- oder Trockenstress. Chitosan-Verbände heilen großflächige Wunden, Nanopartikel aus Chitosan transportieren Medikamente über die Blut-Hirn-Schranke, und sie ersetzen als antimikrobielle und immunstimulierende Futtermittel-Zusatzstoffe Antibiotika in der Tiermast.

Aber natürlich sind auch Chitosane keine Wundermittel. „Es gibt sehr viele verschiedene Chitosane, und für jede Anwendung muss genau das richtige Mittel gefunden werden, damit es wirkt. Bislang wussten wir noch viel zu wenig über ihre Wirkung, und wie sie effektiv eingesetzt werden können. Mit unserer Forschung sind wir diesem Verständnis nun ein ganzes Stück nähergekommen“, sagt Prof. Dr. Bruno Moerschbacher vom Institut für Biologie und Biotechnologien der Pflanzen der WWU.

Chitosane bestehen aus unterschiedlich langen Ketten eines Einfachzuckers namens Glukosamin. Manche dieser Zuckermoleküle tragen ein Essigsäuremolekül und andere nicht. Chitosane unterscheiden sich somit in drei Faktoren: der Kettenlänge, der Anzahl sowie der Verteilung der Essigsäurereste entlang der Zuckerkette.

Seit mehr als 20 Jahren können Chemiker Chitosane unterschiedlicher Kettenlänge und mit unterschiedlich vielen Essigsäureresten herstellen. Biologen untersuchten daraufhin ihre biologischen Aktivitäten. So entwickelte sich ein Verständnis, wie diese beiden Faktoren die antimikrobielle oder die pflanzenstärkende Wirkung von Chitosanen beeinflussen.

Solche gut charakterisierten Chitosane, die heute als Chitosane der zweiten Generation bezeichnet werden, dienen derzeit als Grundlage für neue Chitosan-basierte Produkte wie zum Beispiel das Pflanzen-Biostimulans „Kitostim“, das auf der Grundlage der Forschungsergebnisse aus Münster entwickelt wurde. Es verbessert das Pflanzenwachstum und stärkt die Abwehrkräfte der Pflanzen gegen Krankheiten und Hitzestress.

Bruno Moerschbacher vermutet, dass auch der dritte strukturelle Faktor, die Verteilung der Essigsäurereste entlang der Zuckerkette, die biologischen Aktivitäten entscheidend mitbestimmt. Diese Hypothese konnte lange nicht getestet werden, da die Essigsäurereste bei allen chemisch hergestellten Chitosanen zufällig verteilt sind.

Das Team um Bruno Moerschbacher benutzt nun in einem neuen Verfahren Enzyme für die Herstellung der Chitosane, also die natürlichen „Werkzeuge“, die in Chitosan-haltigen Pilzen an der Biosynthese des Chitosans beteiligt sind. Mit deren Hilfe gelang es den münsterschen Wissenschaftlern, kurze Chitosan-Ketten, sogenannte Oligomere, mit definierter Anordnung der Essigsäuremoleküle herzustellen und diese auf ihre Bioaktivitäten zu testen.

Für diesen Test verwendeten die Forscher Reiszellen, die sie mit den Chitosan-Oligomeren behandelten, um deren Immunsystem zu stimulieren. Wenn sie dafür Chitosan-Oligomere aus vier Zuckerbausteinen, auch Tetramere genannt, die nur einen Essigsäurerest tragen, verwendeten, zeigte sich, dass das Tetramer mit dem Essigsäurerest an der ersten („linken“) Zuckereinheit, dem nicht-reduzierenden Ende, stark immunstimulierend wirkte, während die anderen drei Tetramere weniger aktiv oder inaktiv waren.

Es zeigten sich dadurch deutliche Unterschiede in der Bioaktivität zwischen Chitosanen mit gleicher Kettenlänge von jeweils vier Zuckereinheiten und gleicher Anzahl an Essigsäureresten, nämlich einem, wenn sie sich in der Position des Essigsäurerests unterschieden. Die Forscher um Bruno Moerschbacher testen derzeit den Einsatz dieses Tetramers als eine Art Impfstoff, der gezielt das natürliche Immunsystem der Pflanzen stimuliert.

Ausblick

Eine solch klare Abhängigkeit der Bioaktivität eines komplexen Zuckers von seiner molekularen Struktur wurde noch fast nie beobachtet. Das erste und bis heute einzige Beispiel war das menschliche Heparin, dessen blutgerinnungshemmende Wirkung auf einer bestimmten Verteilung von Schwefelsäureresten entlang der Zuckerkette beruht. Heute weiß man, dass Heparin diese Wirkung durch Bindung und Inaktivierung eines Gerinnungsfaktors an diese spezifische Bindungsstelle erzielt. Durch dieses Wissen konnten Gerinnungshemmer mit genau dosierter Wirkung und ohne Nebenwirkungen entwickelt werden, die unter anderem für Dialysepatienten wichtig sind.

„Unsere Hoffnung ist es jetzt, dass die genau definierten Chitosane in ähnlicher Weise verwendet werden können, um beispielsweise eine narbenfreie Wundheilung unter Chitosan-Verbänden zu ermöglichen“, sagt Bruno Moerschbacher, der mit seiner Arbeitsgruppe bereits mit Dermatologen und anderen biomedizinischen Experten zusammenarbeitet.

Prof. Dr. Bruno Moerschbacher
Institut für Biologie und Biotechnologien der Pflanzen
Universität Münster
Schlossplatz 8
48143 Münster
Deutschland
Tel: +49 251 83-24791
Mail: moersch@uni-muenster.de

Basa S., M. Nampally, T. Honorato, S. N. Das, A. R. Podile, N. E. El Gueddari & B. M. Moerschbacher (2020) The Pattern of Acetylation Defines the Priming Activity of Chitosan Tetramers. Journal of the American Chemical Society (in press) https://doi.org/10.1021/jacs.9b11466