Broetchen glutenfrei

Gluten, Allergene, Koffein, Nikotin: Unerwünschtes einfach abschalten?

Gluten im Weizen, Allergene, Koffein, Nikotin - Pflanzen produzieren Inhaltsstoffe, die gesundheitsschädlich oder für bestimmte Personengruppen unverträglich sind. Manches ist auch einfach unerwünscht oder gerade nicht im Trend. Wäre es nicht eine gute Sache, wenn man in den Pflanzen die Bildung solcher Substanzen einfach „abschalten“ würde? Theoretisch geht das, doch in der Praxis ist es komplizierter - bisher jedenfalls. Mit den neuen molekularbiologischen Verfahren - vor allem mit der Genschere CRISPR/Cas - eröffnen sich neue Möglichkeiten, die gesteckten Ziele zu erreichen.

Grundsätzlich ist es möglich: Durch bestimmte gentechnische Verfahren kann ein einzelnes Gen im Genom einer Pflanze „abgeschaltet“ werden. Dadurch wird die in der DNA codierte „Bauanleitung“ nicht ausgeführt. Die Folge: In den Ribosomen, den Eiweißfabriken der Zellen, wird das betreffende Protein nicht hergestellt.

Weizenkörner

Weizen ohne Gluten? Von Zölikaie-Kranken gewünscht, aber nicht einfach zu erfüllen. Erst mit Hilfe der Genschere CRISPR/Cas könnte es möglich werden, einen solchen Weizen zu entwickeln.

Kaffeebohnen

Koffeinfreier Kaffee, der schmeckt. Bei der heute angewandten Entkoffeinierung gehen auch viele erwünschte Geschmacksstoffe verloren. Besser wäre es, wenn in der Kaffeebohne erst gar kein Koffein entsteht. Einige Forschergruppen arbeiten daran.

Großes Foto oben: Brötchen, gebacken mit glutenfreiem Mehl. (Milkos/123rf)

Schon länger arbeitet man mit geeigneten Verfahren (RNA-Interferenz, RNAi) daran, Gene zu blockieren, die für die Bildung unerwünschter Substanzen in Lebensmitteln verantwortlich sind. Dabei wird die Aktivität des Zielgens durch das Einführen eines komplementären Gens blockiert. Mit den neuen, wesentlich präziser arbeitenden Genome Editing-Verfahren - insbesondere der GenschereCRISPR/Cas - ist das gezielte Ausschalten einzelner oder mehrerer Gene nun auf relativ einfache Weise möglich. Doch nicht immer sind damit alle Probleme gelöst.

Glutene sind bestimmte Proteine in vielen Getreidearten wie Weizen, Roggen und Gerste. Menschen, die unter der Stoffwechselkrankheit Zöliakie leiden, vertragen glutenhaltige Produkte nicht. Glutene sind jedoch für die Backeigenschaften von Weizen verantwortlich. Ohne sie gäbe es keine volumigen Brotlaibe oder Brötchen, sondern Fladen wie beim Maismehl. Zwar kann Gluten aus Weizenmehl ausgewaschen werden, doch für „glutenfreie“ Backwaren müssen andere, technologisch und geschmacklich weniger geeignete Mehle beigemischt werden, etwa aus Buchweizen oder Sonnenblumen.

Besser wäre es, die Bildung von Gluten schon im Weizen zu unterdrücken - oder präziser: der Gliadine, jener Proteine oder Proteinoberflächen (Epitope), welche Zölikaie-Patienten meiden müssen. Die Bestandteile des Glutens, die die Backeigenschaften bestimmen (Glutenine), sollen dabei erhalten bleiben. Doch im Weizen mit seinem sechsfachen Chromosomensatz gibt es bis zu 50 Gliadin-Gene. Sie alle auszuschalten ist schwierig - mit herkömmlicher Züchtung oder auch mit klassischer Gentechnik nahezu unmöglich.

Inzwischen setzen Forschergruppen in mehreren Ländern die Genschere CRISPR/Cas ein, um damit gleichzeitig mehrere - oder sogar alle - im Weizengenom vorhandenen Gliadin-Gene auszuschalten. So gelang es spanischen Wissenschaftlern, 35 von insgesamt 45 Gliadin-Genen erfolgreich zu blockieren. Der Gehalt an Gliadin konnte so um bis zu 85 Prozent gesenkt werden. In Spanien und Mexiko laufen bereits erste Versuche mit Zöliakie-Patienten, die bisher vielversprechende Ergebnisse liefern. In einer zweiten Runde wollen die Wissenschaftler auch noch die restlichen Gliadin-Gene abschalten, um einen für Zöliakie-Patienten verträglichen Weizen zu erhalten.

Auch an der Universität Wageningen (NL) beschäftigt sich ein Forschungsprojekt mit der Entwicklung von glutenfreiem Weizen. Mit Hilfe von CRISPR/Cas sollen gezielt nur jene Gliadine blockiert werden, die tatsächlich für Zölikie-Patienten toxisch wirken, alle andere Gliadine jedoch unverändert bleiben.

Allergene: Da Allergene grundsätzlich Proteine sind, könnte das jeweilige Gen unmittelbar blockiert werden. Wird als Folge davon das Allergen in einer Pflanze nicht mehr hergestellt, wäre das betreffende Lebensmittel auch für Allergiker verträglich. Mehrere internationale Forschergruppen arbeiten daran, vor allem weit verbreitete Allergene etwa in Reis, Äpfeln, Möhren, Erdnüssen oder Tomaten zu entfernen. Ein Problem dabei ist, dass Pflanzen häufig mehrere allergene Proteine enthalten. Bisher war es kaum möglich, die Bildung aller Allergene zu unterdrücken. Mit Genome Editing - insbesondere mit dem CRISPR/Cas-Verfahren - könnte es auch hier gelingen, mehrere für die Bildung allergieauslösender Proteine verantwortliche Gene gleichzeitig auszuschalten.

In Äpfeln ist es etwa das Mal-d-1-Protein, welches in den meisten Fällen für allergische Reaktionen verantwortlich ist. Mit der RNAi-Technologie haben Wissenschaftler in den Niederlanden das Mal-d-1-Gen blockiert, so dass die Äpfel eine deutlich reduzierten Gehalt des allergenen Proteins aufweisen und somit für die meisten Apfelallergiker verträglich sind.

Bei Erdnüssen sieht die Sache deutlich komplizierter aus: Erdnussallergien können durch eine Vielzahl von Allergenen ausgelöst werden, derzeit sind 17 Allergene bekannt. Zudem werden diese allergenen Proteine oft durch mehrere Gene codiert. Es muss also nicht nur ein einzelnes Gen ausgeschaltet werden, sondern alle beteiligten Gene. Auch wenn das mit dem neuen Genome Editing-Verfahren theoretisch - durchaus möglich scheint, ist es unwahrscheinlich, dass jemals eine vollkommen allergenfreie Erdnuss erzeugt werden könnte. Durch das Entfernen von allen allergenen Proteinen würden zum einen die Nährstoffe und der Geschmack der Erdnuss stark beeinflusst. Zum anderen würde wahrscheinlich auch die Lebensfähigkeit der Pflanze selbst zerstört, da manche dieser Proteine für die Pflanze wichtige Funktionen haben.

Trotzdem versucht man, die Allergenität von Erdnüsse zu senken. So arbeiten Wissenschaftler der Firma Aranex Biotech in England und Irland daran, mit CRISPR/Cas drei Haupt-Allergene aus der Erdnuss zu entfernen.

Pflanzenstoffe wie Koffein oder Nikotin sind gesundheitlich bedenklich und können abhängig machen. Da es sich hier nicht um Proteine handelt, kann man die verantwortlichen Gene nicht direkt blockieren oder ausschalten. Um zum Ziel zu kommen, werden bestimmte Enzyme abgeschaltet, so dass der zu Koffein oder Nikotin führende pflanzliche Stoffwechselweg unterbrochen ist. Auf diese Weise kann zum Beispiel der Gehalt des Sucht auslösenden Nikotins in Tabakpflanzen fast vollständig reduziert werden. Andere Komponenten in den Tabakblättern, die wichtig für Geschmack und Aroma sind, werden dabei nicht beeinflusst.

Bei Kaffee versuchen Wissenschaftler Pflanzen zu züchten, die koffeinfreie oder koffeinreduzierte Kaffeebohnen tragen. Man könnte so den Prozess der Entkoffeinierung einsparen, welcher sehr aufwändig ist und den Geschmack beeinflusst. Mit der RNAi-Technologie ist es bereits gelungen, Kaffeepflanzen zu entwickeln, deren Koffeingehalt bis zu 70 Prozent reduziert ist. Auch hier werden Gene blockiert, die bei der Bildung des Koffeins eine Rolle spielen.