Können gentechnisch veränderte Pflanzen helfen, Babynahrung so nahrhaft wie Muttermilch zu machen?
Die menschliche Muttermilch enthält eine einzigartige Mischung aus präbiotischen Zuckern, die in kommerzieller Säuglingsnahrung nur schwer nachgebildet werden können. Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass Pflanzen die perfekten Hersteller sein könnten
Weltweit nimmt die Mehrheit der Säuglinge - etwa 75 % - in den ersten sechs Lebensmonaten Säuglingsnahrung zu sich, entweder als alleinige Nahrungsquelle oder als Ergänzung zum Stillen. Säuglingsnahrung ist zwar eine wichtige Nahrung für heranwachsende Babys, kann aber derzeit nicht das vollständige Nährstoffprofil der Muttermilch erreichen.
In einer neuen Studie haben Wissenschaftler Nicotiana benthamiana-Pflanzen so umprogrammiert, dass sie eine Reihe von nützlichen Zuckern produzieren, die in der Muttermilch vorkommen, die so genannten Oligosaccharide der Muttermilch
Collin Barnum
Das liegt zum Teil daran, dass die menschliche Muttermilch eine einzigartige Mischung aus etwa 200 präbiotischen Zuckermolekülen enthält, die zur Vorbeugung von Krankheiten beitragen und das Wachstum gesunder Darmbakterien fördern. Die meisten dieser Zucker sind jedoch nach wie vor schwierig, wenn nicht gar unmöglich herzustellen.
Neue Forschungsarbeiten unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of California, Berkeley, und der University of California, Davis, zeigen, wie gentechnisch veränderte Pflanzen dazu beitragen könnten, diese Lücke zu schließen.
In einer neuen Studie, die heute in der Fachzeitschrift Nature Food veröffentlicht wurde, programmierte das Studienteam die Zuckerproduktionsmaschinen der Pflanzen so um, dass sie eine Vielzahl dieser Milchzucker, auch Oligosaccharide genannt, produzieren. Die Ergebnisse könnten zu einer gesünderen und erschwinglicheren Säuglingsnahrung oder zu einer nahrhafteren milchfreien Pflanzenmilch für Erwachsene führen.
"Pflanzen sind phänomenale Organismen, die Sonnenlicht und Kohlendioxid aus unserer Atmosphäre aufnehmen und daraus Zucker herstellen. Und sie stellen nicht nur einen Zucker her, sondern eine ganze Reihe von einfachen und komplexen Zuckern", sagte der Hauptautor der Studie, Patrick Shih, Assistenzprofessor für Pflanzen- und Mikrobenbiologie und Forscher am Innovative Genomics Institute der UC Berkeley. "Wir dachten uns, da Pflanzen bereits über diesen grundlegenden Zuckerstoffwechsel verfügen, warum versuchen wir nicht, ihn umzuleiten, um Oligosaccharide für die menschliche Milch herzustellen?"
Alle komplexen Zucker - auch die Oligosaccharide der menschlichen Milch - bestehen aus Bausteinen von Einfachzuckern, den so genannten Monosacchariden, die sich zu einer Vielzahl von Ketten und verzweigten Ketten zusammenfügen lassen. Was die Oligosaccharide der menschlichen Milch so einzigartig macht, sind die spezifischen Verknüpfungen oder Regeln für die Verbindung von Einfachzuckern, die in diesen Molekülen zu finden sind.
Um Pflanzen davon zu überzeugen, Oligosaccharide aus menschlicher Milch herzustellen, hat der Erstautor der Studie, Collin Barnum, die Gene für die Enzyme, die diese spezifischen Verknüpfungen herstellen, manipuliert. In Zusammenarbeit mit Daniela Barile, David Mills und Carlito Lebrilla von der UC Davis schleuste er die Gene dann in die Pflanze Nicotiana benthamiana ein, eine enge Verwandte des Tabaks.
Die gentechnisch veränderten Pflanzen produzierten 11 bekannte menschliche Milch-Oligosaccharide sowie eine Vielzahl anderer komplexer Zucker mit ähnlichen Verknüpfungsmustern.
"Wir haben alle drei Hauptgruppen der Oligosaccharide der menschlichen Milch hergestellt", so Shih. "Meines Wissens hat noch nie jemand gezeigt, dass man alle drei Gruppen gleichzeitig in einem einzigen Organismus herstellen kann".
Barnum arbeitete daraufhin an der Schaffung einer stabilen Linie von N. benthamiana-Pflanzen , die für die Produktion eines einzigen Oligosaccharids der menschlichen Milch namens LNFP1 optimiert wurden.
"LNFP1 ist ein fünf Monosaccharide langes Oligosaccharid aus menschlicher Milch, das sehr vorteilhaft sein soll, aber bisher mit herkömmlichen Methoden der mikrobiellen Fermentation nicht in großem Maßstab hergestellt werden kann", so Barnum, der diese Arbeit als Doktorand an der UC Davis durchgeführt hat. "Wir dachten, wenn wir anfangen könnten, diese größeren, komplexeren Oligosaccharide aus Humanmilch herzustellen, könnten wir ein Problem lösen, das die Industrie derzeit nicht lösen kann."
Derzeit kann eine kleine Handvoll Oligosaccharide aus Humanmilch mit Hilfe von gentechnisch veränderten E. coli-Bakterien hergestellt werden. Die Isolierung der nützlichen Moleküle aus anderen toxischen Nebenprodukten ist jedoch ein kostspieliger Prozess, und nur eine begrenzte Anzahl von Säuglingsnahrungen enthält diese Zucker in ihren Mischungen.
Im Rahmen der Studie schätzten Shih und Barnum gemeinsam mit Minliang Yang von der North Carolina State University die Kosten für die Herstellung von Oligosacchariden aus Pflanzen in industriellem Maßstab und stellten fest, dass dies wahrscheinlich billiger wäre als die Verwendung mikrobieller Plattformen.
"Stellen Sie sich vor, Sie könnten alle Oligosaccharide der menschlichen Milch in einer einzigen Pflanze herstellen. Dann könnte man diese Pflanze einfach zerkleinern, alle Oligosaccharide gleichzeitig extrahieren und sie direkt in die Säuglingsnahrung geben", so Shih. "Es gäbe viele Herausforderungen bei der Umsetzung und Kommerzialisierung, aber das ist das große Ziel, auf das wir hinarbeiten wollen.
Weitere Autoren sind Bruna Paviani, Garret Couture, Chad Masarweh, Ye Chen, Yu-Ping Huang, David A. Mills, Carlito B. Lebrilla und Daniela Barile von der UC Davis; Kasey Markel von der UC Berkeley; und Minliang Yang von der North Carolina State University.
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Originalveröffentlichung
Collin R. Barnum, Bruna Paviani, Garret Couture, Chad Masarweh, Ye Chen, Yu-Ping Huang, Kasey Markel, David A. Mills, Carlito B. Lebrilla, Daniela Barile, Minliang Yang, Patrick M. Shih; "Engineered plants provide a photosynthetic platform for the production of diverse human milk oligosaccharides"; Nature Food, 2024-6-13
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