Forscher an der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Kopenhagen haben eine Hefezelle modifiziert, um die Wirkstoffe in Cannabis zu erkennen und sie dazu zu bringen, sich dabei rot zu färben. Das Ergebnis ebnet den Weg für mehr Akteure zur Entdeckung neuer medizinischer Substanzen und für eine neue Art von Drogentests, die mit einem Smartphone durchgeführt werden können.
Hefezellen sind einfache Organismen. Sie tun zwei Dinge im Leben: essen und sich vermehren. Nun haben Forscher der Fakultät für Pflanzen- und Umweltwissenschaften der Universität Kopenhagen gewöhnliche Bäckerhefezellen mit einer neuen Funktion ausgestattet.
Die Forscher ersetzten den Sexualtrieb der Hefezelle durch einen Geschmacks- und Geruchssinn, der es ihr ermöglicht, Cannabinoide, die Wirkstoffe von Cannabis, zu erkennen. Die Forscher gingen noch einen Schritt weiter und ließen die Hefe rot oder glühen, wenn sie erfolgreich Cannabinoide entdeckte. Die Studie ist erschienen in Naturkommunikation.
„Wir haben aus der Hefezelle einen lebenden Sensor gemacht, der nun Cannabinoide oder Moleküle mit der gleichen Funktion wie Cannabinoide aufspüren kann, auch wenn sie ganz anders aussehen als Cannabinoide. Mit dem Biosensor kann unter anderem nach neuen Substanzen gesucht werden.“ mit den gleichen Eigenschaften wie Cannabinoide. Dies könnte die medizinische Entwicklung demokratisieren, sodass Pharmaunternehmen nicht die einzigen sind, die in der Lage sind, neue Substanzen zu entdecken“, sagt Professor Sotirios Kampranis vom Institut für Pflanzen- und Umweltwissenschaften, der die Forschung leitete.
Wird rot, wenn Cannabinoide wahrgenommen werden
Menschen verwenden Hunderte von verschiedenen GPCRs (G-Protein-gekoppelte Rezeptoren), um zu schmecken und zu riechen. Allein in unserer Nase ermöglichen es uns 400 verschiedene GPCRs, den Geruch von Rosen und frisch gebackenem Brot zu erkennen und zu unterscheiden, die jeweils unterschiedliche GPCRs aktivieren, die dann dem Gehirn signalisieren.
Zusammen mit seinen Forschungskollegen tauschte Professor Kampranis den GPCR, den Hefezellen verwenden, um das andere Geschlecht in einer Umgebung zu erkennen, mit dem GPCR aus, den wir Menschen verwenden, um Cannabinoide zu erkennen. Gleichzeitig ergänzten die Forscher das genetische Material der Hefezelle mit einer Reihe neuer Gene, die sie rot oder sogar leuchten lassen, wenn sie Cannabinoide in der Nähe wahrnimmt.
„Die Hefezelle sendet jetzt ein Signal aus, wenn sich Cannabinoide in der Umgebung der Hefezelle befinden. Damit können wir Tausende von Pflanzen auf Substanzen mit therapeutischem Potenzial screenen. Und wir können auch untersuchen, ob Menschen Drogen nehmen oder ob jemand versucht, illegal zu schmuggeln.“ Cannabinoide oder „Designerdrogen“ durch einen Flughafenkontrollpunkt“, erklärt Professor Sotirios Kampranis.
Vier neue Substanzen an einem Tag entdeckt
Es ist bekannt, dass Cannabinoide mit Schlaf, Appetit und Schmerzlinderung in Verbindung gebracht werden. Tatsächlich haben wir sie natürlich in unserem Körper, wo sie Endocannabinoide genannt werden. Genau aus diesem Grund entschieden sich die Forscher dafür, die Fähigkeit, Cannabinoide in den Hefezellen zu finden, zu codieren. Aber im Prinzip hätten sie dies auch für Opioide oder jede andere Gruppe von Arzneistoffen tun können. Genau aus diesem Grund entschieden sich die Forscher dafür, die Fähigkeit, Cannabinoide in den Hefezellen zu finden, zu codieren. Aber im Prinzip hätten sie das auch für Opioide oder jede andere Gruppe von Arzneimitteln tun können.
Es besteht kein Zweifel, dass die Hefezelle neue Substanzen finden kann. In ersten Tests verwendeten die Forscher die Hefezelle, um 1600 zufällige Substanzen aus einer riesigen Bibliothek chemischer Verbindungen zu untersuchen, die an der Universität Kopenhagen verfügbar ist. Es dauerte nicht lange, einen Bissen zu bekommen.
„An einem einzigen Tag fand die Hefezelle vier unentdeckte Substanzen, die nie mit entzündungshemmenden Eigenschaften oder Schmerzlinderung in Verbindung gebracht wurden, aber möglicherweise für diese Zwecke verwendet werden könnten“, sagt Sotirios Kampranis.
Wenn Pharmaunternehmen heute nach neuen Medikamenten suchen, werden sich Universitäten und andere nichtkommerzielle Einrichtungen mit Hilfe modernster Robotik und Laborausrüstung niemals leisten können. Dass die Forscher eine Alternative entwickelt haben, könnte es mehr Menschen ermöglichen, in der Natur nach hilfreichen Substanzen zu suchen.
„Es ist ein Crowdsourcing-Ansatz, bei dem kleinere Labore mehr neue potenzielle Substanzen für die pharmazeutische Verwendung finden können. Ich sehe es nicht als Konkurrenz zu Pharmaunternehmen – sondern als etwas, das eine Synergie zwischen unabhängigen Akteuren in der wissenschaftlichen Welt und der pharmazeutischen Industrie schaffen kann “, sagt Professor Kampranis.
Smartphone-Zubehör kann Drogen finden
Die Forscher entwickelten auch ein tragbares Plastikgerät mit einem Hefezellen-Biosensor darin. Pflanzenmaterial, Speichel, Urin, Blut, Material aus einem Koffer oder was auch immer man für die Hefezelle zum Testen haben möchte, wird in das Gizmo gegeben.
Das Gerät prüft dann mithilfe der Kamera des Smartphones, ob die Hefezellen aufleuchten, und liefert sein Ergebnis in nur 15 Minuten. Die Anwendung könnte Polizisten und anderen dabei helfen, Drogen auf Flughäfen aufzuspüren oder Drogentests durchzuführen.
„Wir können sowohl auf natürliche Cannabinoide als auch auf Designerdrogen testen – chemische Substanzen, die sehr unterschiedliche Strukturen haben – mit den gleichen Wirkungen wie Cannabinoide. Im Prinzip könnten wir die Hefezelle auch so anpassen, dass sie Opioide wie Morphin, Fentanyl und Co. erkennen kann Oxycodon“, sagt Sotirios Kampranis.
Das Gerät kann in 3D gedruckt oder mit Materialien zusammengebaut werden, die leicht online erhältlich sind. Die Forscher arbeiten nun daran, das Testtool möglichst vielen Menschen kostenlos zur Verfügung zu stellen, gleichzeitig aber die Kontrolle über Wartung und Weiterentwicklung zu behalten.