Pflanzen erzeugen Milchproteine durch einen unerwarteten Speicherweg

Stellen Sie sich vor, das Protein, das Milch ihren Nährwert, ihre cremige Konsistenz und ihre Eignung zur Käseherstellung verleiht, müsste gar nicht von einer Kuh stammen, sondern könnte in einer gewöhnlichen Pflanze erzeugt werden.

Neue Forschungsergebnisse bringen diese Vorstellung einen wichtigen Schritt näher. Sie zeigen einen völlig unerwarteten Mechanismus, mit dem Pflanzensamen eines der bedeutendsten Milchproteine herstellen und speichern können.

Geleitet wurde die Studie von Oded Shoseyov von der Hebräischen Universität Jerusalem, gemeinsam mit dem neuseeländischen Unternehmen Miruku.

Das Team wies nach, dass Pflanzen β-Casein, eines der wichtigsten Proteine der Kuhmilch, erfolgreich produzieren können.

Dabei entdeckten die Forschenden, dass sich das Protein an einer Stelle in Pflanzenzellen ansammelt, die niemand erwartet hatte.

Die Suche nach Milchprodukten ohne Kühe

Die weltweite Nachfrage nach Milchprodukten steigt weiter, während zugleich die Bedenken wegen der Treibhausgasemissionen, des Flächenbedarfs und des Wasserverbrauchs der Nutztierhaltung zunehmen.

Dieser Zielkonflikt veranlasst Wissenschaftler dazu, nachhaltige Verfahren zur Herstellung echter Milchproteine zu erforschen, die vollständig ohne Tiere auskommen.

Als vielversprechender Ansatz gilt das molekulare Farming mit Pflanzen: Dabei werden gewöhnliche Nutzpflanzen im Grunde zu kleinen Protein-Fabriken umfunktioniert.

Theoretisch lassen sich Feldfrüchte in großem Maßstab anbauen und benötigen dabei nur einen Bruchteil der Ressourcen, die für die Haltung von Milchkühen erforderlich sind.

Komplexe Milchproteine tatsächlich von Pflanzen erzeugen zu lassen, war bislang jedoch eine erhebliche technische Hürde. Sie begrenzte, wie weit dieser Ansatz realistisch entwickelt werden konnte.

Um dieses Problem anzugehen, veränderten die Forschenden Arabidopsis-Samen genetisch, sodass sie bovines β-Casein produzierten, das mit einem kleinen Abschnitt des pflanzlichen Ölkörper-Proteins Oleosin verbunden war. Oleosin bindet an Ölkörper innerhalb der Pflanzenzelle.

Anschließend prüften sie mehrere unterschiedliche „zelluläre Adressen“. Das Protein wurde gezielt in verschiedene Zellkompartimente geleitet, um festzustellen, wo es sich am effizientesten anreichern würde.

Eine Entdeckung, nach der niemand gesucht hatte

Das Team ging davon aus, dass sich das Protein in spezialisierten Speichervakuolen ansammeln würde, also in den Zellkompartimenten, die üblicherweise für eine solche Speicherung genutzt werden.

Hochauflösende Elektronenmikroskopie zeigte jedoch ein vollkommen anderes Bild.

Statt sich im vorgesehenen Speicherkompartiment abzulegen, bildete das Milchprotein bislang unbekannte, proteinreiche Strukturen.

Diese ähnelten stark natürlichen Casein-Mizellen, die sich in den Samenzellen um winzige Ölkörper gruppierten.

Die unerwarteten Protein-Öl-Aggregate konnten sich erfolgreich anreichern, während die Samen weiterhin normal keimten.

Das Phänomen deutet darauf hin, dass Pflanzen möglicherweise einen völlig anderen, bislang nicht bekannten Weg zur Speicherung komplexer Proteine besitzen.

Wenn die Natur überrascht

Die leistungsstärksten Pflanzen erzeugten β-Casein in Mengen von ungefähr 1,26 Prozent des gesamten löslichen Samenproteins – ein deutlich höherer Ertrag als bei vielen früheren Versuchen, Casein in Pflanzen herzustellen.

„Einer der spannendsten Aspekte der Wissenschaft ist es, wenn die Natur einen überrascht“, sagte Shoseyov.

„Wir wollten das Protein an einen bestimmten Ort innerhalb der Zelle schicken, entdeckten dann aber, dass die Pflanze praktisch ihre eigene Speicherlösung geschaffen hatte.“

„Dieses unerwartete Verhalten zu verstehen, verschafft uns wertvolle Einblicke darin, wie Pflanzen mit komplexen Proteinen umgehen, und könnte uns helfen, künftig effizientere Systeme für die Produktion nachhaltiger Milchproteine zu entwickeln.“

Bedeutung weit über Milchprodukte hinaus

Die Relevanz dieser Entdeckung reicht deutlich über Milchalternativen hinaus. Molekulares Farming mit Pflanzen ist ein rasch wachsender Bereich, in dem Feldfrüchte zur Herstellung hochwertiger Proteine für Lebensmittel, Ernährung und sogar Medizin eingesetzt werden.

Wenn Forschende besser verstehen, wo und weshalb sich rekombinante Proteine in Pflanzenzellen natürlicherweise anreichern, könnten sie Pflanzen entwickeln, die höhere Erträge liefern, die Aufreinigung vereinfachen und Produktionskosten senken.

Diese Vorteile könnten einer breiten Palette von Proteinprodukten zugutekommen, nicht nur Casein. Dazu zählen therapeutische Proteine und andere hochwertige Biologika, für deren Herstellung derzeit wesentlich teurere Produktionssysteme nötig sind.

Mit der wachsenden Nachfrage nach ökologisch nachhaltigeren Proteinquellen bringen Entdeckungen wie diese die Wissenschaft einem Ziel näher: authentische Milchzutaten ausschließlich mit Sonnenlicht, Wasser und Boden zu erzeugen.

Über das Labormodell hinaus

Die Forschenden sind bereits über ihren ersten Machbarkeitsnachweis hinausgegangen.

Kürzlich gelang es ihnen, Färberdistel-Pflanzen mit denselben Milchproteinen zu transformieren. Damit wurde die Technologie über die in der ursprünglichen Studie verwendete Modellpflanze Arabidopsis hinaus weiterentwickelt.

Färberdistel ist für eine Ausweitung dieses Ansatzes eine wirklich praktische Wahl, denn die Ölsaat eignet sich gut für heiße Klimazonen und trockene Böden.

Ihre Hitzetoleranz macht sie zunehmend relevant, weil die globale Erwärmung verändert, welche Kulturen wo angebaut werden können – während der Bedarf an ernährungsphysiologisch wertvollem Protein weiter steigt.

Diese Kombination aus einer widerstandsfähigen Kulturpflanze und einem natürlich effizienten Speicherweg könnte pflanzlich erzeugte Milchproteine letztlich zu einer realistischen Option machen, die weit über Forschungsgewächshäuser hinausgeht.