In einem Labor in Berkeley wurde ein Mikroorganismus, den man eher aus Bier und Brot kennt, auf eine ganz andere Kost gesetzt. Saccharomyces cerevisiae, die Bierhefe, wurde mit Zucker gefüttert und so gentechnisch verändert, dass sie statt Alkohol oder aufgegangenem Teig chemische Stoffe herstellt, die mit Cannabis in Verbindung stehen.[2]

Wissenschaftler statteten Bierhefe mit Genen aus der Cannabispflanze und weiteren genetischen Veränderungen aus, sodass sie aus Zucker Cannabinoide wie THC und CBD produzieren konnte. Langfristig soll so eine fermentationsbasierte Cannabinoid-Produktion möglich werden, die günstiger, reiner und weniger abhängig vom Anbau von Cannabispflanzen ist.

Die Arbeit, die im Februar 2019 in Nature vorgestellt wurde, verwandelte einen vertrauten Brauorganismus in eine chemische Mini-Fabrik.[1] Forschende um Jay Keasling an der University of California, Berkeley veränderten die Hefe so, dass sie Galactose, einen Zucker, in Cannabinoid-Verbindungen umwandeln konnte, wie sie in Cannabis sativa vorkommen.[1]

Keasling, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik sowie Bioengineering, brachte den Reiz der Methode unverblümt auf den Punkt: „Man bekommt von der Hefe genau das, was man will.“[2] Cannabispflanzen können als Quelle stark schwanken, und seltene Verbindungen aus ihnen zu gewinnen, kann teuer sein, weil viele Cannabinoide nur in Spuren vorkommen.[3]

Eine Bierhefe mit Cannabis-Stoffwechselweg

Das Berkeley-Team legte nicht einfach einen einzelnen genetischen Schalter um. Laut der Berichterstattung in Nature veränderten die Forschenden mehrere Gene, die bereits in S. cerevisiae vorkommen, und fügten weitere aus fünf Bakterienarten sowie aus der Cannabispflanze ein.[4] Insgesamt brauchte die Hefe 16 genetische Veränderungen, um Galactose in inaktive Formen von THC oder CBD umzuwandeln, die sich durch Erhitzen in aktive Formen überführen lassen.[4]

In den manipulierten Zellen durchläuft der Zucker eine nachgebaute Version eines pflanzlichen Stoffwechselwegs. Die Hefe bildet Zwischenprodukte und erzeugt anschließend Cannabigerolsäure, kurz CBGa, die oft als „Mutter-Cannabinoid“ bezeichnet wird, weil aus ihr mehrere andere Cannabisverbindungen entstehen können.[3]

Im letzten Schritt konnten die Forschenden steuern, welches Produkt herauskommt. Keasling erklärte gegenüber Scientific American, dass sich der Hefestamm, der THC produziert, und derjenige, der CBD produziert, nur durch ein einziges Gen unterscheiden: das letzte Gen im Stoffwechselweg, das CBGa in das eine oder das andere Molekül umwandelt.[3] Tauscht man dieses Gen aus, könnte derselbe Ansatz genutzt werden, um seltenere Cannabinoide herzustellen.[3]

Gerade diese selteneren Verbindungen waren ein Hauptgrund, warum die Hefe so interessant war. Marihuana enthält mehr als 100 Cannabinoide, doch die meisten kommen in deutlich geringeren Konzentrationen vor als THC und CBD.[3] Wenn Wissenschaftler versuchen, sie aus Pflanzen zu isolieren, können die Produkte teuer sein und Spuren häufiger vorkommender Cannabinoid-Verwandter enthalten.[3] Fermentation eröffnete die Möglichkeit saubererer, stärker standardisierter Chargen.

Das Problem der Größenordnung

Die ersten Ausbeuten waren allerdings noch winzig. Die gentechnisch veränderte Hefe produzierte laut dem von Innoscience zusammengefassten Nature-Bericht etwa 8 Milligramm THC pro Liter und niedrigere Mengen CBD.[4] Jason Poulos, Geschäftsführer von Librede, sagte, die Ausbeuten müssten um mindestens das Hundertfache steigen, bevor aus Hefe hergestellte Cannabinoide preislich mit aus Pflanzen extrahierten Varianten konkurrieren könnten.[4]

Andere Forschende sahen das Ergebnis als wichtigen Machbarkeitsnachweis. Kevin Chen, Geschäftsführer von Hyasynth Bio in Montreal, sagte, die Studie sei bedeutsam, weil sie die vollständige Produktionslinie für Cannabinoide in einer einzigen Zelle zusammengeführt habe.[4] David Kideckel, Cannabis-Analyst bei AltaCorp Capital in Toronto, sagte damals voraus, synthetische Cannabinoide seien noch 18 bis 24 Monate davon entfernt, für Pharmaunternehmen oder die breite Öffentlichkeit kosteneffizient genug zu sein.[4]

Die Methode passte außerdem in ein größeres Muster der synthetischen Biologie. Gentechnisch veränderte Hefe und verwandte mikrobielle Systeme waren bereits genutzt worden, um kommerzielle Malaria-Medikamente und Opiate für das Labor herzustellen.[4] In diesem Fall sollte der alte Brauorganismus stattdessen einen Cannabis-Stoffwechselweg übernehmen.

Das angestrebte Endbild ist kein Feld voller blühender Pflanzen und auch kein Tablett klebriger Blüten. Es ist ein Fermentationstank: Zucker hinein, Hefe arbeitet Zelle für Zelle, und dort, wo man früher vielleicht Bier erwartet hätte, sammelt sich ein Cannabinoid an.

Quellen

  1. Nature, “Scientists brew cannabis using hacked beer yeast”
  2. UC Berkeley College of Chemistry, “Yeast produce low-cost, high-quality cannabinoids”
  3. Scientific American, “Rising High: GM Yeast Generates Known and Novel Marijuana Compounds”
  4. Innoscience Research Institute, “Scientists brew cannabis using hacked beer yeast”