" So. Hier lagern in den einzelnen Kompartimenten die Stämme in Reaktionsgefäßen, also steril eingelagert, und tief gefroren und sind damit natürlich immer weiter verfügbar. Alles in allem ca. 5000 Stämme aus marinen Habitaten."
Wolfgang Wenzel wacht am Institut für Biophysikalische Chemie und Biochemie der Technischen Universität Berlin über einen bedeutenden Schatz. Er befindet sich im ersten Stock des Institutgebäudes im Berliner Stadtteil Tiergarten in einem Kühlschrank, der etwa so groß ist wie ein Bücherregal. Von außen hängt eine Kette mit einem Vorhängeschloss um diesen Schatz, ansonsten erinnert nichts an diesem überdimensionierten Eisschrank daran, dass er in seinem Inneren etwas ganz besonderes beherbergt: Es ist ein ganzer Zoo von eingefrorenen Mikroorganismen, die die Biologen an diesem Institut eines Tages auftauen und zu neuem Leben erwecken wollen.
" Die liegen hier in der Stammsammlung bei minus 80 Grad oder in Flüssigstickstoff gelagert, weil uns die Möglichkeit fehlt, das alles auf einen Schlag abzuarbeiten und wir haben so die Möglichkeit, das alles sicher zwischen zu lagern."
Die tiefgekühlten Bakterien und Pilze stammen aus Schwämmen, die Wolfgang Wenzel und seine Kollegen vor der Küste Norwegens aus dem Meer gefischt haben. Schwämme sind diejenigen Meeresbewohner, für die sich die Wissenschaftler besonders interessieren. Sie hoffen, aus diesen urwüchsigen Tieren Substanzen gewinnen zu können, die gegen Krankheiten des Menschen wirksam sind.
" Vor allem darum, weil es starke Strudler sind. Bis zu 100 Liter Meerwasser gehen pro Tag durch einen Schwamm durch, er nimmt das Wasser ja als Nahrung auf. Und da schon ein Milliliter Meerwasser 5-10 Millionen Bakterien enthalten sind gerade die Schwämme die Organismen, die sehr stark konfrontiert sind mit Krankheitserregern, Viren Schadorganismen, die sie krank machen und die sie umbringen könnten und gegen die müssen sie sich zur Wehr setzen. Außerdem haben Schwämme keine Dornen keine Stacheln sie können nicht wegschwimmen und sind deswegen auf chemische Kriegsführung angewiesen, wenn sie nicht von Fischen gefressen werden wollen, "
sagt Gerhard Bringmann vom Institut für Organische Chemie der Universität Würzburg. Auch hier forschen verschiedene Arbeitsgruppen daran, Schwämmen und anderen Meeresbewohnern das Geheimnis ihrer Abwehrstoffe zu entlocken. In der Arbeitsgruppe von Gerhard Bringmann untersuchen die Forscher die chemischen Eigenschaften dieser Substanzen. Auf die Schwämme wurden die Wissenschaftler vor allem deshalb aufmerksam, weil diese Tiere es geschafft haben, sich seit Millionen von Jahren auf der Erde zu behaupten. Und dass, obwohl sie ihr Aussehen und ihre Lebensstrategie in dieser Zeit kaum verändert haben. Seit Jahrmillionen ernähren sich Schwämme von nichts anderem als Meerwasser, dass sie Tag für Tag in rauen Mengen durch sich hindurchpumpen. Und sie haben sich über Jahrmillionen erfolgreich dagegen gewehrt, von anderen Arten überwachsen zu werden.
" Im Meer gibt es eine hohe Dichte von Arten, die sitzen dicht aufeinander. Nirgendwo sonst muss so gekämpft werden um jeden Quadratzentimeter und nirgendwo sonst ist man auf eine chemische Kriegsführung angewiesen."
Um herauszufinden, welche Schwämme und anderen Meeresbewohner dem Menschen nützlich sein könnten, hat das Bildungsministerium für Forschung und Bildung 2001 das Kompetenzzentrum "Biotecmarin" ins Leben gerufen. Über ganz Deutschland verteilt arbeiten in diesem Zentrum zehn Forscherteams daran, den chemischen Cocktail zu untersuchen, mit denen sich Meerestiere gegen Konkurrenten verteidigen. Inzwischen haben die Forscher schon eine ganze Reihe von Substanzen gefunden, die als Zellgifte, Wachstums - oder Entzündungshemmer oder als Mittel gegen Mikroorganismen wie Bakterien, Viren oder Pilze wirksam sind.
" Wir suchen diese Gifte, weil wir hoffen, dass es vielleicht Gifte sind, die selektiv wirken. Vielleicht nur gegen Krebszellen, aber nicht gegen normale Körperzellen. Wir haben also dort eine hohe Wahrscheinlichkeit besonders starke Wirkstoffe zu finden und diese für den Menschen nutzbar zu machen. Also allgemein Zellgifte. Es sind aber auch Wirkstoffe, die in ganz anderen Bereichen zufällig wirken können. Es sind dort auch starke Anti-Malaria Mittel, obwohl primär ein Schwamm gar nichts mit Malaria zu tun hat, einfach weil es Substanzen sind, die oft sehr selektiv bestimmte Mikroorganismengruppen abtöten."
Je dichter der Platz im Meer besiedelt ist, desto häufiger setzen Meerestiere ihre chemische Verteidigung ein, um nicht verdrängt zu werden. Zum Ärger der Forscher gilt das umgekehrt aber genauso: Ohne Stress produzieren die Tiere auch keine Abwehrstoffe. Bei dem Versuch, Schwämme im Labor zu züchten, hat sich deshalb schon mancher aussichtsreiche Arzneimittellieferant als harmloser Filtrierer entpuppt.
" Viele Organismen produzieren etwas ganz anderes in anderer Umgebung. Auch übrigens kann man oft ganz neue Wirkstoffe bekommen, wenn man einen Organismus stresst, wenn man ihn besonders warm oder kalt handhabt. Oder auch mit chemischen Substanzen, was ja im Korallenriff oft vorkommt, dass die mit chemischen Substanzen überflutet werden. Aus der Natur wohlbemerkt. Dann kann es zu einer ganz anderen Produktion von Wirkstoffen kommen. Das kann man sich auch zunutze machen."
An der Universität Stuttgart erproben technische Biologen eine Methode, mit der Schwämme auf speziellen Plattformen im Mittelmeer angesiedelt werden sollen. Wie in einer Fischfarm sollen die Tiere dort wachsen und später geerntet werden. Ein mühsames Verfahren, dass viel Zeit und Arbeitskraft kostet. Einfacher wird die Herstellung, wenn nicht der Schwamm selbst, sondern seine Untermieter die gesuchten Abwehrstoffe herstellen: Bakterien, die mit dem Schwamm in Symbiose leben und ihm die Abwehrstoffe liefern, mit denen er sich gegen Krankheiten und Konkurrenten wehrt. Ein solcher Fall von Fremdproduktion hat dazu geführt, dass die Forscher einen interessanten Wirkstofflieferanten lange Zeit übersehen haben, obwohl er ihnen schon häufiger begegnet war. Gerhard Bringmann:
" Die Substanz Sorbicil-Lacton A ist eine Substanz, die wir aus einem Pilz isoliert haben, den vorher einer unserer Partner aus einem Schwamm isoliert hatte. Also ein Pilz aus einem Schwamm und das verrückte ist, dass dieser Pilz schon lange bekannt war, aber nie produziert er unsere Substanz. Es ist die Umgebung des Schwammes eingebettet in die ökologische Nische des Schwammes, dass er anfängt diese Substanz zu produzieren. Und wir haben gefunden, dass wir das nachahmen können. Es ist die Salinität des Meerwassers, also der Salzgehalt, der diesen Schimmelpilz dazu bringt, diese Substanz zu produzieren. Das hatte man vorher nicht entdeckt aber in dieser Umgebung produziert der Schimmelpilz diese Wirksubstanz."
Derzeit ist das Sorbicillacton A einer der wichtigsten Wirkstoffe, die von den verschiedenen Arbeitsgruppen untersucht wird. Von ihr versprechen sich die Forscher eine Wirkung gegen eine ganze Reihe von Krankheiten:
" Sorbicillin ist eine Substanz, die man schon lange kennt, die Mutter der Substanzen aus der hier erstmals Alkaloide gebildet werden, erstmals können Mikroorganismen Stickstoff in das Sorbicillin einbauen. Da entsteht ein ganz neues Grundgerüst, das nicht nur aufregend ist für den Chemiker weil es eine ganz neuer Strukturtyp ist, sondern sie zeigt auch anti-leukämische und übrigens auch Anti-HIV-Aktivität. So interessant, eine der ersten großen Entdeckungen unseres Kompetenzzentrums, das auch Firmen sich dafür nicht nur interessiert haben, sondern sie sind jetzt auch eingestiegen und wir haben gerade begonnen, diese Substanz in großen Mengen zu produzieren."
Eines der wichtigsten Probleme, mit denen die Forscher zu kämpfen haben: Schwämme und auch andere Meeresorganismen produzieren ihre Abwehrstoffe in verschwindend geringen Mengen. Viel zu wenig, um damit die Möglichkeiten einer Substanz aus der Meeresapotheke ausreichend zu testen. Denn bevor es ein Wirkstoff bis in die Regale unserer Apotheken schafft, muss er seine Eigenschaften in Tierversuchen und klinischen Studien unter Beweis stellen. Das gilt auch für das Sorbicillin.
" Wir haben gerade begonnen, diese Substanz in großem Maßstab zu produzieren. Man muss sich mal vor Augen halten, dass wir beim ersten Mal vielleicht 1-2 mg isoliert hatten. das hat uns gereicht, um die gesamte Struktur aufzuklären und zu sehen, dass diese Substanz ein unglaubliches Potenzial hat. Jetzt müssen wir zusehen, dass wir nicht 1, nicht 10 nicht hundert Milligramm, sondern möglichst 100 Gramm davon produzieren."
Am Problem der Menge scheiterten die Wirkstoffjäger auch bei dem Versuch, die Substanz Halichondrin B auf den Markt zu bringen. Neuseeländische Forscher entdeckten dieses Zellgift in dem Schwamm Halichondria okadai der in japanischen Gewässern lebt. Schon ein Zehnmillionstel Gramm, verdünnt in einem Liter Wasser, bremste das Wachstum von Eierstock- und Hodenkrebs-Tumorzellen im Reagenzglas um die Hälfte. Um aus diesem Stoff aber ein Medikament zu etablieren, sind mehrere Kilogramm pro Jahr nötig. Mehrere Tonnen Schwammgewebe würden dabei verbraucht - mehr als auf der gesamten Erde überhaupt existieren. Die Schwammjäger versuchen deshalb, die Tiere im Labor oder im Freiland zu züchten. Der Chemiker Gerhard Bringmann von der Universität Würzburg:
" Dann wird man die Mikroorganismen isolieren und die kann man dann meist in großem Maßstab produzieren. Und eine dritte Möglichkeit ist, dass man die Schwamm-Gene nimmt, dass man den Organismus von den Genen her aufbereitet und in einen gut handhabbaren Mikroorganismus einbringt, wie z.B. E-Coli, und von dem dann diese Wirkstoffe produzieren lässt. Dann ist einem fast gleichgültig wer der eigentliche Produzent war, Hauptsache die Synthese-Gene sind da und man benutzt dann E-Coli, dieses Haustier der Mikrobiologen als Fabrikhalle sozusagen für die Fabrikation der Wirkstoffe. All dies ist früher nicht möglich gewesen und hier haben sich also ganz neue Möglichkeiten der Naturstoffforschung ergeben."
Das Bakterium Escherischia coli, kurz E-coli, lebt normalerweise im menschlichen Darm. Weil es sich ohne viel Aufwand im Labor züchten lässt, benutzen Mikrobiologen es gerne für solche gentechnischen Experimente. Dazu schleusen sie ein fremdes Gen in E-Coli ein und bringen das Bakterium so dazu, eine gewünschte neue Substanz zu produzieren. Das wird beispielsweise am Institut für Infektionsbiologie der Universität Würzburg gemacht. Hier untersucht die Mikrobiologin Ute Henschel gemeinsam mit ihren Kollegen Methoden, mit denen sich die gesuchten Wirkstoffe ohne die Mithilfe der Schwämme produzieren lassen.
" Weil diese Tiere mit Bakterien besiedelt sind, hoffen wir, dass die Mikroorganismen die tatsächlichen Produzenten dieser Wirkstoffe sind. Und da kann man jetzt zwei Vorgehensweisen verfolgen und das machen wir auch, dass man zum einen die Mikroorganismen kultiviert und im Labor anzüchtet um sie dann hier unter künstlichen Bedingungen zur Wirkstoffproduktion bringt. Und der zweite Weg ist aber, wo wir mit molekulargenetischen Methoden arbeiten."
Um die Mikroorganismen zum wachsen zu bringen, testen die Forscher unterschiedliche Nährmedien aus. Denn so wie Pflanzen haben auch Bakterien und Pilze ihre ganz speziellen Ansprüche an den Boden, auf dem sie sich vermehren. Die einen brauchen viel Feuchtigkeit, die anderen weniger, manche können ohne Stickstoff nicht wachsen, während andere diesen Mineralstoff sogar selbst produzieren können. Und so müssen die Forscher eine Weile herumtüfteln, bis sie die richtige Mischung für ihr Bakterium oder ihrem Pilz gefunden haben. Wenn sie sie überhaupt finden...
" Schätzungen sagen, dass bis zu 99 Prozent der in der Umwelt vorliegenden Mikroorganismen nicht kultivierbar sind. Dann versuchen wir, Genschnipsel oder Genfragmente aus diesen Organismen herauszufischen und diese in einem Bakterium zur Expression zu bringen, was für uns sehr gut kultivierbar ist. Zum Beispiel in dem Bakterium E-Coli, was ein Standardorganismus ist."
Gelingt es den Wissenschaftlern, die gesuchten Wirkstoffe von Bakterien wie E-Coli produzieren zu lassen, können die Forscher sie vollkommen unabhängig von ihrem ursprünglichen Produzenten herstellen. Damit werden aufwändige und langwierige Schwammzuchten überflüssig. Es müssen nur die Mikroorganismen kultiviert werden. Das geschieht auch am Institut für Biophysikalische Chemie und Biochemie der Technischen Universität Berlin. Hier konzentrieren sich die Forscher auf Mikroorganismen als Produzenten von Arzneistoffen. In der Arbeitgruppe von Hans von Döhren erforschen Mikrobiologen unter anderem die Eigenschaften von Cyanobakterien, die im Labor des Instituts gezüchtet werden. Diese auch als Blaualgen bezeichneten Mikroorganismen kommen im Süß- und Salzwasser vor und verwandeln wie Pflanzen das Sonnenlicht in. In den Räumen des Instituts wachsen sie in einem einkochtopfgroßen Glasgefäß, das mit einem Deckel verschlossen ist. Das Chlorophyll, Pigmente, mit dem die Cyanobakterien das Sonnenlicht einfangen, verleihen der Flüssigkeit eine gleichmäßige grasgrüne Farbe. Über eine Pumpe werden die Mikroorganismen permanent mit frischer Luft versorgt.
" Das sind also solche Cyanobakterien. (...) Die machen cyclische Peptide, wobei man aber noch nicht so sicher ist, wofür man sie einsetzt. Wir sind an einem an der Arbeit was eine antifungale Wirkung hat und uns viel von versprechen, dass es also gegen Pilze eingesetzt werden kann. Speziell gegen Lungenentzündungen, die Leute bekommen, die immun kompromittiert sind, also z.B. HIV-Patienten oder solche, die Transplantate haben. Da blubbert man ein bisschen Luft durch ... Und das besondere ist an den Cyanobakterien, dass sie Photosynthese machen können also direkt von CO2 und Sonnenlicht ihre Bausteine erzeugen. aber auch Stickstoff aus der Luft verwenden können. Sie brauchen also fast gar nichts. Sie brauchen nur Spurenelemente und können so Biomasse erzeugen."
Neben den Cyanobakterien werden an diesem Institut auch solche Mikroorganismen kultiviert, die Forscher aus Schwämmen isoliert haben. In einem Wärmeschrank vom Format einer Kommode stehen im mikrobiologischen Labor etwa 25 wasserglasgroße Glaskolben, in denen eine hell orangene, milchig-trübe Flüssigkeit schwimmt. Durch ein Sichtfenster können die Mikrobiologen beobachten, wie die Flüssigkeit in den Kolben permanent rotiert. Denn in dem Boden des Wärmeschranks sitzt ein Motor, der die Bakterienkultur unaufhörlich sanft durchrüttelt. Das geschieht, um die Mikroorganismen gleichmäßig mit Nährstoffen und Sauerstoff zu versorgen. Die wissenschaftliche Mitarbeiterin Elvira Gottardi betreut diese Bakterienzuchten.
" Hier werden Bakterienkulturen geschüttelt. Also wir bringen die zum wachsen und je nachdem wie langsam oder wie schnell sie wachsen bei einer bestimmten Temperatur oder bestimmten Geschwindigkeit und im richtigen Nährmedium und wachsen dann hoffentlich. Und schauen so schön orange aus wie diese hier.
Wir können auch mal aufmachen:"
" Riecht lecker! Na ja, die hier riechen ganz gut. Die E-Colis, die stinken immer ganz grausig."
Dank der hauseigenen Bakterienzucht können die Forscher die Eigenschaften der Mikroorganismen das ganze Jahr über untersuchen und sind nicht an Jahreszeiten gebunden. Zudem haben die Wissenschaftler so ständigen Zugang zu den Mikroorganismen und müssen nicht ans Meer fahren, um ihre Proben neu zu sammeln. Der entscheidende Vorteil dieser Methode ist aber, dass die Wirkstoffjäger die gesuchten Substanzen in größeren Mengen produzieren können, als es mit Schwammkulturen im Meer möglich wäre. Und das sogar mit wesentlich weniger Aufwand - vorausgesetzt, die Bakterien lassen sich züchten. Auch ökologisch gesehen bietet diese Methode enorme Vorteile. Ute Hentschel:
" Zu Anfang dieser Forschung ist man halt zum Tauchen gegangen und hat kilogrammweise Biomasse gesammelt und hat daraus, wenn man Glück hatte, wenige Milligramm an interessanten Substanzen isoliert. Und das kann man natürlich heutzutage unter dem Artenschutzabkommen nicht mehr so durchführen. Wenn man mit Mikroorganismen arbeitet, und die einmal in Kultur hat, hat man unbegrenzten Zugang zum Ausgangsmaterial und darauf setzen wir. "
Doch so einfach dieses Verfahren klingt: Bis die Forscher die Bakterien dazu gebracht haben, einen Wirkstoff kontinuierlich und verlässlich zu produzieren, vergehen oft Jahre. Und manchmal müssen die Forscher auch einsehen, dass sich eine Substanz gar nicht nutzen lässt, weil sie nicht in großem Maßstab produziert werden kann. Der Würzburger Chemiker Gerhard Bringmann:
" Einige Schwämme lassen sich gar nicht kultivieren nach wie vor, einige Mikroorganismen auch nicht. Wenn sie die Bakterien, Pilze und Blaualgen aus einem Schwamm nehmen, man schätzt, das davon lassen sich vielleicht 5 Prozent kultivieren. Die anderen 95 entgehen einem, selbst wenn man gute mikrobiologische Methoden hat. Mit der Methode, die Gene zu sammeln, erschließt sich vielleicht auch nicht alles doch vielleicht öffnet das noch mal ein neues Fenster und man erschließt sich damit noch mal eine neue Welt. Doch die meisten Schwämme sind nicht kultivierbar. "
Dass Schwämme so schwierig zu züchten sind, ärgerte die Menschen schon im 19. Jahrhundert. Denn mit der Renaissance der Badekultur in Europa waren echte Badeschwämme sehr gefragt. Weil sie nicht industriell hergestellt werden konnten, mussten Taucher die Schwämme extra aus der Tiefe der Meere fischen. Und so wurden Badeschwämme zu einem Luxus, den nicht nur der Dichter Christian Morgenstern zu schätzen wusste.
An meinen Badeschwamm
Großer Schwamm, du braver Bronnen,
drauf mein Aug' erwachend säumt,
der an seinem Garn versonnen
an des Ofens Vorsprung träumt!
Brüt ich über Denkdoktrinen,
nehm ich dich als Vorwurf gern;
und dann dienst du deinem Herrn
anders, als sonst Schwämme dienen.
Wie vom Schwert der Cherubim
wirst du dann von ihm entkleidet -
Farbe, Form, Charakter scheidet,
und du wirst ein Ding an ihm.
Doch nur etliche Minuten
schwebst du so, des Selbst beraubt ...
Und dann strömst du kühle Fluten
über sein erquicktes Haupt
Doch Schwämme wurden nicht nur zum Baden benutzt. Es gab Zeichen-, Abbeiz- und Ohrenschwämme und Frauen nutzten sie als Pessar sogar zur Verhütung. Modebewusste Damen rieben sich mit fein gemahlenen Schwammnadeln die Wangen ein, um ihnen einen rötlichen Schimmer zu verleihen. Aber auch Messing- Silber- und Kupfergegenständen wurden mit Schleifmitteln aus Schwammnadeln zu neuem Glanz verholfen. Dass Schwämme sogar der Gesundheit des Menschen gute Dienste leisten können, erkannte ein berühmter Philosoph und Naturforscher schon einige Jahrhunderte vorher:
" Es war bereits Aristoteles 320 v Chr., der in seinem Werk über die Natur den Schwämmen ein ganzes Kapitel gewidmet hat und bereits einige Schwämme beschrieben hat. Denen Namen gegeben hat, von denen einige noch im wissenschaftlichen Gebrauch sind. Zum anderen hat er aufgeführt, dass Schwämme medizinisch nutzvoll sind und Schwämme wurden deshalb vom Altertum her über Plinius bis in die beginnende Neuzeit intensiv schon genutzt in der Therapie, in der plastischen Chirurgie und zur Kosmetik."
Erklärt Werner Müller vom Institut für Physiologische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Er ist der Sprecher des Kompetenzzentrums Biotecmarin, einem Zusammenschluss verschiedener Forschungsinstitute, die gemeinsam nach Arzneistoffen aus dem Meer suchen. Eine wirklich wichtige Rolle in der Medizin spielten die Schwämme aber erst im Mittelalter.
" Einmal wurde es natürlich eingesetzt gegen Entzündung, Durchfall Infektionen aber auch zur Therapie von Krankheiten oder als Matrix für die Anwendung von Opium zur Betäubung in von Patienten im Mittelalter. Bekannt ist auch, dass bereits dieser so genannte Schlafschwamm von Carolus Magnus eingesetzt wurde zur Betäubung."
Der Schlafschwamm war noch im Mittelalter eines der wichtigsten Betäubungsmittel. Dazu tauchten die Anästhesisten einen Badeschwamm in einen Presssaft aus alkaloidhaltigen Pflanzen. Dieser saugte sich mit den Drogen voll und konnte dem Patienten während einer Operation auf den Mund gelegt werden. Eine Anleitung zur Herstellung eines solchen Schlafschwamms findet sich in der berühmten Rezeptesammlung des Italieners Nikolaus von Salerno:
" Wenn man bei einem Menschen etwas sägen oder schneiden will: Man nehme Opium Thebaicum, ferner den Saft des Bilsenkrautes, unreife Brombeeren, Salatsamen, Schierlingssaft, Mohn, Alraune und Efeu; gebe diese in ein Gefäß und tauche einen Schwamm hinein, ganz so, wie er frisch aus dem Meere kommt, ohne dass Süßwasser ihn berühre. Den Schwamm lege man in die Sonne und lasse ihn daselbst während der Hundstage trocknen, bis er alle Flüssigkeit aufgenommen hat. Bei Bedarf kann man nun ein Stückchen von dem Schwamm in nicht zu warmes Wasser tauchen und dem Patienten in die Nasenlöcher stecken; dann wird er alsbald einschlafen. Will man den Patienten überdies wieder erwecken, gebe man ihm Fenchelwurzelsaft zum riechen, da wird er schnell wieder bei sich sein."
Die Anwendung war nicht ungefährlich, weil die Konzentration des alkaloidreichen Presssafts nur schwer oder gar nicht kontrolliert werden konnte. Verabreichte man zu wenig des Extrakts, war die Schmerzempfindung nicht vollständig ausgeschaltet. Bei zuviel Wirkstoff konnte man den Patienten nicht mehr aus der Bewusstlosigkeit holen oder er bekam bleibende Narkoseschäden.
Auch in der Chirurgie nutzten die Menschen früher Schwämme. Zum Beispiel als Kompressen.
" Spongiae compressae: Man nehme feine, gereinigte und feuchte Schwammstücke, umwickele sie scharf mit Bindfaden oder schiebe sie in feuchte Glasröhrchen und lasse sie dort trocknen."
Mit diesen zusammen gepressten Schwämmen erweiterten Ärzte die Wunden ihrer Patienten um ihnen Eiter zu entziehen. Heutzutage werden Schwämme nicht mehr als Substrat für Betäubungsmittel oder als Kompressen eingesetzt. Und die Konzentrationen der Wirkstoffe aus diesen Meerestieren werden in langwierigen Versuchen genau ausprobiert. Schwämme spielen aber nicht nur im Bad und in der Medizin eine Rolle. Sie könnten eines Tages auch als Lichtleiter eingesetzt werden. Denn die Nadeln mancher Schwämme haben Eigenschaften, die sie für die Kommunikationstechnik sehr interessant machen. Um ihr Potenzial als Glasfaserkabel der Zukunft zu testen, untersuchen mehrere Doktoranden am Institut von Werner Müller die Licht leitenden Eigenschaften der Schwammnadeln vor einem Laser. Einer von ihnen ist Mathias Wiens.
" Wir haben hier eine Nadel von Hyalonema, das ist ein Tiefseeschwamm, vor einen Laser gesetzt. Vor einen Rotlichtlaser. Dort schicken wir dann Laserlicht durch und sehen jetzt hier, dass die ganze Nadel leuchtet. Und vorne glimmt auch das Ende der Nadel. Die Nadel ist 15 cm Meter groß geht aber auch mit größeren oder kleineren Nadeln und damit wollen wir testen wie die Lichtleitereigenschaften von so einer Schwammnadel sind. Die ja aus amorphem Silikat besteht also praktisch aus Glas und damit konnten wir zeigen, dass so eine Schwammnadel die gleichen Eigenschaften hat wie ein kommerzieller Lichtleiter. Der in der Industrie in der Fabrik hergestellt wird aber unter einem beträchtlichem Aufwand, materiellem Aufwand und der Schwamm macht das in der Tiefsee bei niedrigen Temperaturen, natürlich unter Druck und wir versuchen nun, da wir auch die Enzyme gefunden haben, die diese Nadeln synthetisieren, würden wir das ganze natürlich auch gerne im Labormaßstab hinkriegen. Dass wir dann so eine Nadel bei Raumtemperatur herstellen können und dann auch irgendwann mal in der Industrie einsetzen."
Wie aber finden die Forscher diejenigen Schwämme, die sie vielleicht eines Tages industriell nützen können. Und wie erkennen sie, welche der Millionen von Organismen im Meer interessante Wirkstoffe enthalten könnten? Der Würzburger Chemiker Gerhard Bringmann:
" Manchmal kann man es einem Organismus ansehen. Da hilft wie in guter alter Zeit die Beobachtung. Bei manchen Schnecken z.B. die sehen wunderschön aus, tolle Farben. Und da fragt man sich natürlich: Das ist so ein Blickfang für jeden Räuber, die können sich das leisten, so auffällig zu sein. Die müssen etwas haben, was sie trotzdem so unattraktiv macht und das sind dann meist diese starken Gifte."
Manchmal orientieren sich die Wissenschaftler aber einfach nur nach dem Alter der Organismen. Wie lange lebt eine Art schon auf der Erde, wie erfolgreich ist sie und kann sie sich gegen ihre Konkurrenten behaupten? Besonders konservative, aber erfolgreiche Kandidaten leben im Meer. Deswegen suchen die Forscher vor allem hier.
" Was mich selber gewundert hat, als ich eingestiegen auf dem Gebiet der Meeresnaturstoffen. Ich war immer davon ausgegangen, das Meer hatte immer eine gleich bleibende Temperatur. es ist immer da gewesen - es hat nie so riesige Veränderungen gegeben wie auf dem Land. Stellen sie sich vor, da hat es die Eiszeiten gegeben, da hat es extreme Schwankungen, Naturkatastrophen gegeben. Das gibt es in dem Sinne im Meer nicht. Es ist immer so um die 20 Grad Warm. Gibt's da überhaupt den großen Selektionsdruck im Meer? Aber das Meer hat durch seine Kontinuität auch eine kontinuierliche Entwicklung erlaubt, darum gibt es ja auch so Tiere wie die Quastenflosser. Gerade die Kontinuität des Meeres hat ja auch dazu geführt, dass bestimmte Bereiche nie ganz ausgestorben sind wie das z.B. Mit den Sauriern der Fall war und das man dort auch alte Tiergruppen hat , wie z.B. die Schwämme, die 800 Millionen Jahre alt sind, 800 Millionen Jahre Zeit hatten, sich auf diese Situation einzustellen, dass dort eine so hohe Dichte an Organismen ist dass dort permanent die Notwendigkeit ist, sich mithilfe chemischer Waffen zu behaupten."
Zudem hatten diejenigen Tiere, die schon lange im Meer leben, sehr viel Zeit um ihre chemische Abwehr zu optimieren. Dass macht diese Lebewesen für den Mainzer Biologen Werner Müller so interessant für die Suche nach Arzneistoffen.
" Dies kann zum jetzigen Zeitpunkt die Chemie noch nicht leisten , das was die Natur in ihrer über 800 Millionen Jahre Evolution geleistet hat, dass sie so genannte Sekundärmetabolite bis zur optimalen Aktivität ausgetestet haben sondern die Chemiker sind in erster Linie darauf angewiesen, eine Vielzahl von Substanzen zu synthetisieren von denen sie annehmen und hoffen können, dass zumindest einige von ihnen aktiv sind und wirken. Das ist umgekehrt bei den Schwämmen , deren Sekundärmetabolite sind a priori bioaktiv denn sonst würden sie nicht existent sein in diesem Schwamm Das heißt das proof of concept, dass diese Substanzen bioaktiv sind, hat uns die Natur schon abgenommen. Also die Substanzen, die der Schwamm produziert sind also aktiv, sind also wertvolle, potenzielle Arzneimittel."
Eine Substanz, die alle Test und klinischen Studien schon lange hinter sich hat, ist das Anti-Herpesmittel Vidarabin. Vidarabin stammt aus einem Schwamm und ist bereits seit den siebziger Jahren auf dem Markt. Ein anderer Wirkstoff, den die Forscher aus einem Schwamm isoliert haben, ist das Discodermolid. Er stammt aus dem Schwamm Discodermia dissolute, der in der Tiefsee um die Bahamas gedeiht. Im Tierversuch war das Discodermolid bereits gegen Krebs wirksam, derzeit laufen klinische Studien. Hans von Döhren von der Technischen Universität Berlin:.
" Völlig neuartige Medikamente werden derzeit entwickelt: Toxine aus Kegelschnecken, die ja bekannt sind als Indianer im Riff, weil sie mit kleinen Pfeilen auf ihre Beute schießen und die dann sofort gelähmt ist. Und die haben eine ganz reichhaltige Kollektion von Wirkstoffen, von denen man sich was verspricht. Auch in Richtung Krebs. Aber in erster Linie ist es eine neue Form von Schmerzmedikamenten und die gerade Zulassung bekommen haben und an diesen Toxinen wird weiter geforscht, weil es sehr unterschiedliche Toxine sind, die darin vorkommen. Es hat einen völlig neuen Wirkmechanismus, so dass man in Fällen, wo die anderen Mittel nicht mehr wirken, sich davon Erfolg verspricht."
Dieses Toxin ist unter dem Namen "Prialt" seit Dezember 2004 auf dem Markt. Allerdings bisher nur in den USA. Die Bausteine für dieses Medikament lieferte die Kegelschnecke Conus magnus. Der Vorteil dieser Arznei: Das Mittel ist wesentlich wirksamer als Morphium und macht nicht süchtig. Problematisch ist allerdings die Anwendung dieser Substanz: Sie muss als Flüssigkeit direkt ins Rückenmark gelangen. Daher wird das Medikament bisher nur extremen Schmerzpatienten verabreicht.
Auch auf der Suche nach einem Mittel gegen Malaria wurden die Forscher bereits fündig: Die Inhaltsstoffe des australischen Schwamms Cymbastela hooperi waren gegen diese tropische Krankheit wirksam. An einer Vermarktung dieser Substanz zeigten Pharmaunternehmen bisher jedoch wenig Interesse. Denn mit einer Krankheit wie Malaria, an der fast ausschließlich Menschen in Entwicklungsländern erkranken, lässt sich kein Geld verdienen.
Einer der aussichtsreichen Kandidaten für ein Krebsmedikament, das eventuell bald zugelassen sein wird, ist die Substanz Ecteinascidin. Sie stammt aus dem Manteltier Ecteinascidia turbinata, das in tropischen Meeren aber auch im Mittelmeer vorkommt. Manteltiere leben wie die Schwämme als festsitzende Strudler und ernähren sich von Plankton. Produziert wird diese Substanz von der spanischen Firma Pharmamar. Das Ecteinascidin destabilisiert die Erbsubstanz von Tumorzellen, verhindert deren Reparatur und hemmt den Zellzyklus. In der Folge stirbt die Krebszelle. Sie ist gegen Tumorarten wirksam, die die Weichteile des Menschen befallen. Also Muskel-, Bindegewebe Blut- oder Lymphgefäße, Gefäße oder Fettgewebe.
" Es gibt schon Wirkstoffe, aber die Arbeiten die notwendig sind, um die auch anzuwenden, sie in die klinischen Tests zu bringen, das kostet natürlich einen Haufen Geld. Und das zieht sich hin. Es gibt in Europa die führende Firma Pharmamar, die seit etwa 3-4 Jahren versucht, Krebsmedikamente auf dem Markt zu bringen und da gab es ein Zulassungsproblem im letzten Jahr und das hat natürlich auch die Finanzen zurückgeworfen. Die Wirksamkeit war für die Zulassungsbehörde nicht überzeugend, also nicht ausreichend besser als Medikamente, die schon auf dem Markt sind."
Bis es eine viel versprechende Substanz geschafft hat, in den Regalen der Apotheken zum Verkauf zu stehen, brauchen Forscher wie Hans von Döhren einen langen Atem. Und bisher sind noch nicht einmal alle aussichtsreichen Kandidaten getestet worden.
" Nach Abschluss dieses Projekts vor der norwegischen Küste, wo wir ungefähr 100 Schwämme gesammelt haben und Bakterien isoliert haben, haben wir ungefähr 1500 Isolate. Und diese Isolate sind oberflächlich durchgeguckt worden nach wirksamen Substanzen, speziell gegen Krebs, antifungal und antibakteriell. Aber es ist noch ein weiter Weg, diese Substanzen dann auch zu identifizieren und noch mal zu überlegen: Lohnt es sich, die zu identifizieren. Das kann also noch mal einige Jahre dauern und es ist auch gar nicht gesagt, ob die Isolate das überleben. Manche gehen ja auch wieder ein. Man könnte schon einige Hundert Wissenschaftler damit beschäftigen so ein bis zwei Jahre, um das alles aufzuarbeiten."
Und so schlummern in den Kühlschränken des Institut für Biophysikalische Chemie und Biochemie der Technischen Universität Berlin noch Tausende verschiedener Arten von Mikroorganismen aus dem Meer, die darauf warten, ihr Potenzial als Wirkstofflieferanten noch unter Beweis stellen zu können.
Wolfgang Wenzel wacht am Institut für Biophysikalische Chemie und Biochemie der Technischen Universität Berlin über einen bedeutenden Schatz. Er befindet sich im ersten Stock des Institutgebäudes im Berliner Stadtteil Tiergarten in einem Kühlschrank, der etwa so groß ist wie ein Bücherregal. Von außen hängt eine Kette mit einem Vorhängeschloss um diesen Schatz, ansonsten erinnert nichts an diesem überdimensionierten Eisschrank daran, dass er in seinem Inneren etwas ganz besonderes beherbergt: Es ist ein ganzer Zoo von eingefrorenen Mikroorganismen, die die Biologen an diesem Institut eines Tages auftauen und zu neuem Leben erwecken wollen.
" Die liegen hier in der Stammsammlung bei minus 80 Grad oder in Flüssigstickstoff gelagert, weil uns die Möglichkeit fehlt, das alles auf einen Schlag abzuarbeiten und wir haben so die Möglichkeit, das alles sicher zwischen zu lagern."
Die tiefgekühlten Bakterien und Pilze stammen aus Schwämmen, die Wolfgang Wenzel und seine Kollegen vor der Küste Norwegens aus dem Meer gefischt haben. Schwämme sind diejenigen Meeresbewohner, für die sich die Wissenschaftler besonders interessieren. Sie hoffen, aus diesen urwüchsigen Tieren Substanzen gewinnen zu können, die gegen Krankheiten des Menschen wirksam sind.
" Vor allem darum, weil es starke Strudler sind. Bis zu 100 Liter Meerwasser gehen pro Tag durch einen Schwamm durch, er nimmt das Wasser ja als Nahrung auf. Und da schon ein Milliliter Meerwasser 5-10 Millionen Bakterien enthalten sind gerade die Schwämme die Organismen, die sehr stark konfrontiert sind mit Krankheitserregern, Viren Schadorganismen, die sie krank machen und die sie umbringen könnten und gegen die müssen sie sich zur Wehr setzen. Außerdem haben Schwämme keine Dornen keine Stacheln sie können nicht wegschwimmen und sind deswegen auf chemische Kriegsführung angewiesen, wenn sie nicht von Fischen gefressen werden wollen, "
sagt Gerhard Bringmann vom Institut für Organische Chemie der Universität Würzburg. Auch hier forschen verschiedene Arbeitsgruppen daran, Schwämmen und anderen Meeresbewohnern das Geheimnis ihrer Abwehrstoffe zu entlocken. In der Arbeitsgruppe von Gerhard Bringmann untersuchen die Forscher die chemischen Eigenschaften dieser Substanzen. Auf die Schwämme wurden die Wissenschaftler vor allem deshalb aufmerksam, weil diese Tiere es geschafft haben, sich seit Millionen von Jahren auf der Erde zu behaupten. Und dass, obwohl sie ihr Aussehen und ihre Lebensstrategie in dieser Zeit kaum verändert haben. Seit Jahrmillionen ernähren sich Schwämme von nichts anderem als Meerwasser, dass sie Tag für Tag in rauen Mengen durch sich hindurchpumpen. Und sie haben sich über Jahrmillionen erfolgreich dagegen gewehrt, von anderen Arten überwachsen zu werden.
" Im Meer gibt es eine hohe Dichte von Arten, die sitzen dicht aufeinander. Nirgendwo sonst muss so gekämpft werden um jeden Quadratzentimeter und nirgendwo sonst ist man auf eine chemische Kriegsführung angewiesen."
Um herauszufinden, welche Schwämme und anderen Meeresbewohner dem Menschen nützlich sein könnten, hat das Bildungsministerium für Forschung und Bildung 2001 das Kompetenzzentrum "Biotecmarin" ins Leben gerufen. Über ganz Deutschland verteilt arbeiten in diesem Zentrum zehn Forscherteams daran, den chemischen Cocktail zu untersuchen, mit denen sich Meerestiere gegen Konkurrenten verteidigen. Inzwischen haben die Forscher schon eine ganze Reihe von Substanzen gefunden, die als Zellgifte, Wachstums - oder Entzündungshemmer oder als Mittel gegen Mikroorganismen wie Bakterien, Viren oder Pilze wirksam sind.
" Wir suchen diese Gifte, weil wir hoffen, dass es vielleicht Gifte sind, die selektiv wirken. Vielleicht nur gegen Krebszellen, aber nicht gegen normale Körperzellen. Wir haben also dort eine hohe Wahrscheinlichkeit besonders starke Wirkstoffe zu finden und diese für den Menschen nutzbar zu machen. Also allgemein Zellgifte. Es sind aber auch Wirkstoffe, die in ganz anderen Bereichen zufällig wirken können. Es sind dort auch starke Anti-Malaria Mittel, obwohl primär ein Schwamm gar nichts mit Malaria zu tun hat, einfach weil es Substanzen sind, die oft sehr selektiv bestimmte Mikroorganismengruppen abtöten."
Je dichter der Platz im Meer besiedelt ist, desto häufiger setzen Meerestiere ihre chemische Verteidigung ein, um nicht verdrängt zu werden. Zum Ärger der Forscher gilt das umgekehrt aber genauso: Ohne Stress produzieren die Tiere auch keine Abwehrstoffe. Bei dem Versuch, Schwämme im Labor zu züchten, hat sich deshalb schon mancher aussichtsreiche Arzneimittellieferant als harmloser Filtrierer entpuppt.
" Viele Organismen produzieren etwas ganz anderes in anderer Umgebung. Auch übrigens kann man oft ganz neue Wirkstoffe bekommen, wenn man einen Organismus stresst, wenn man ihn besonders warm oder kalt handhabt. Oder auch mit chemischen Substanzen, was ja im Korallenriff oft vorkommt, dass die mit chemischen Substanzen überflutet werden. Aus der Natur wohlbemerkt. Dann kann es zu einer ganz anderen Produktion von Wirkstoffen kommen. Das kann man sich auch zunutze machen."
An der Universität Stuttgart erproben technische Biologen eine Methode, mit der Schwämme auf speziellen Plattformen im Mittelmeer angesiedelt werden sollen. Wie in einer Fischfarm sollen die Tiere dort wachsen und später geerntet werden. Ein mühsames Verfahren, dass viel Zeit und Arbeitskraft kostet. Einfacher wird die Herstellung, wenn nicht der Schwamm selbst, sondern seine Untermieter die gesuchten Abwehrstoffe herstellen: Bakterien, die mit dem Schwamm in Symbiose leben und ihm die Abwehrstoffe liefern, mit denen er sich gegen Krankheiten und Konkurrenten wehrt. Ein solcher Fall von Fremdproduktion hat dazu geführt, dass die Forscher einen interessanten Wirkstofflieferanten lange Zeit übersehen haben, obwohl er ihnen schon häufiger begegnet war. Gerhard Bringmann:
" Die Substanz Sorbicil-Lacton A ist eine Substanz, die wir aus einem Pilz isoliert haben, den vorher einer unserer Partner aus einem Schwamm isoliert hatte. Also ein Pilz aus einem Schwamm und das verrückte ist, dass dieser Pilz schon lange bekannt war, aber nie produziert er unsere Substanz. Es ist die Umgebung des Schwammes eingebettet in die ökologische Nische des Schwammes, dass er anfängt diese Substanz zu produzieren. Und wir haben gefunden, dass wir das nachahmen können. Es ist die Salinität des Meerwassers, also der Salzgehalt, der diesen Schimmelpilz dazu bringt, diese Substanz zu produzieren. Das hatte man vorher nicht entdeckt aber in dieser Umgebung produziert der Schimmelpilz diese Wirksubstanz."
Derzeit ist das Sorbicillacton A einer der wichtigsten Wirkstoffe, die von den verschiedenen Arbeitsgruppen untersucht wird. Von ihr versprechen sich die Forscher eine Wirkung gegen eine ganze Reihe von Krankheiten:
" Sorbicillin ist eine Substanz, die man schon lange kennt, die Mutter der Substanzen aus der hier erstmals Alkaloide gebildet werden, erstmals können Mikroorganismen Stickstoff in das Sorbicillin einbauen. Da entsteht ein ganz neues Grundgerüst, das nicht nur aufregend ist für den Chemiker weil es eine ganz neuer Strukturtyp ist, sondern sie zeigt auch anti-leukämische und übrigens auch Anti-HIV-Aktivität. So interessant, eine der ersten großen Entdeckungen unseres Kompetenzzentrums, das auch Firmen sich dafür nicht nur interessiert haben, sondern sie sind jetzt auch eingestiegen und wir haben gerade begonnen, diese Substanz in großen Mengen zu produzieren."
Eines der wichtigsten Probleme, mit denen die Forscher zu kämpfen haben: Schwämme und auch andere Meeresorganismen produzieren ihre Abwehrstoffe in verschwindend geringen Mengen. Viel zu wenig, um damit die Möglichkeiten einer Substanz aus der Meeresapotheke ausreichend zu testen. Denn bevor es ein Wirkstoff bis in die Regale unserer Apotheken schafft, muss er seine Eigenschaften in Tierversuchen und klinischen Studien unter Beweis stellen. Das gilt auch für das Sorbicillin.
" Wir haben gerade begonnen, diese Substanz in großem Maßstab zu produzieren. Man muss sich mal vor Augen halten, dass wir beim ersten Mal vielleicht 1-2 mg isoliert hatten. das hat uns gereicht, um die gesamte Struktur aufzuklären und zu sehen, dass diese Substanz ein unglaubliches Potenzial hat. Jetzt müssen wir zusehen, dass wir nicht 1, nicht 10 nicht hundert Milligramm, sondern möglichst 100 Gramm davon produzieren."
Am Problem der Menge scheiterten die Wirkstoffjäger auch bei dem Versuch, die Substanz Halichondrin B auf den Markt zu bringen. Neuseeländische Forscher entdeckten dieses Zellgift in dem Schwamm Halichondria okadai der in japanischen Gewässern lebt. Schon ein Zehnmillionstel Gramm, verdünnt in einem Liter Wasser, bremste das Wachstum von Eierstock- und Hodenkrebs-Tumorzellen im Reagenzglas um die Hälfte. Um aus diesem Stoff aber ein Medikament zu etablieren, sind mehrere Kilogramm pro Jahr nötig. Mehrere Tonnen Schwammgewebe würden dabei verbraucht - mehr als auf der gesamten Erde überhaupt existieren. Die Schwammjäger versuchen deshalb, die Tiere im Labor oder im Freiland zu züchten. Der Chemiker Gerhard Bringmann von der Universität Würzburg:
" Dann wird man die Mikroorganismen isolieren und die kann man dann meist in großem Maßstab produzieren. Und eine dritte Möglichkeit ist, dass man die Schwamm-Gene nimmt, dass man den Organismus von den Genen her aufbereitet und in einen gut handhabbaren Mikroorganismus einbringt, wie z.B. E-Coli, und von dem dann diese Wirkstoffe produzieren lässt. Dann ist einem fast gleichgültig wer der eigentliche Produzent war, Hauptsache die Synthese-Gene sind da und man benutzt dann E-Coli, dieses Haustier der Mikrobiologen als Fabrikhalle sozusagen für die Fabrikation der Wirkstoffe. All dies ist früher nicht möglich gewesen und hier haben sich also ganz neue Möglichkeiten der Naturstoffforschung ergeben."
Das Bakterium Escherischia coli, kurz E-coli, lebt normalerweise im menschlichen Darm. Weil es sich ohne viel Aufwand im Labor züchten lässt, benutzen Mikrobiologen es gerne für solche gentechnischen Experimente. Dazu schleusen sie ein fremdes Gen in E-Coli ein und bringen das Bakterium so dazu, eine gewünschte neue Substanz zu produzieren. Das wird beispielsweise am Institut für Infektionsbiologie der Universität Würzburg gemacht. Hier untersucht die Mikrobiologin Ute Henschel gemeinsam mit ihren Kollegen Methoden, mit denen sich die gesuchten Wirkstoffe ohne die Mithilfe der Schwämme produzieren lassen.
" Weil diese Tiere mit Bakterien besiedelt sind, hoffen wir, dass die Mikroorganismen die tatsächlichen Produzenten dieser Wirkstoffe sind. Und da kann man jetzt zwei Vorgehensweisen verfolgen und das machen wir auch, dass man zum einen die Mikroorganismen kultiviert und im Labor anzüchtet um sie dann hier unter künstlichen Bedingungen zur Wirkstoffproduktion bringt. Und der zweite Weg ist aber, wo wir mit molekulargenetischen Methoden arbeiten."
Um die Mikroorganismen zum wachsen zu bringen, testen die Forscher unterschiedliche Nährmedien aus. Denn so wie Pflanzen haben auch Bakterien und Pilze ihre ganz speziellen Ansprüche an den Boden, auf dem sie sich vermehren. Die einen brauchen viel Feuchtigkeit, die anderen weniger, manche können ohne Stickstoff nicht wachsen, während andere diesen Mineralstoff sogar selbst produzieren können. Und so müssen die Forscher eine Weile herumtüfteln, bis sie die richtige Mischung für ihr Bakterium oder ihrem Pilz gefunden haben. Wenn sie sie überhaupt finden...
" Schätzungen sagen, dass bis zu 99 Prozent der in der Umwelt vorliegenden Mikroorganismen nicht kultivierbar sind. Dann versuchen wir, Genschnipsel oder Genfragmente aus diesen Organismen herauszufischen und diese in einem Bakterium zur Expression zu bringen, was für uns sehr gut kultivierbar ist. Zum Beispiel in dem Bakterium E-Coli, was ein Standardorganismus ist."
Gelingt es den Wissenschaftlern, die gesuchten Wirkstoffe von Bakterien wie E-Coli produzieren zu lassen, können die Forscher sie vollkommen unabhängig von ihrem ursprünglichen Produzenten herstellen. Damit werden aufwändige und langwierige Schwammzuchten überflüssig. Es müssen nur die Mikroorganismen kultiviert werden. Das geschieht auch am Institut für Biophysikalische Chemie und Biochemie der Technischen Universität Berlin. Hier konzentrieren sich die Forscher auf Mikroorganismen als Produzenten von Arzneistoffen. In der Arbeitgruppe von Hans von Döhren erforschen Mikrobiologen unter anderem die Eigenschaften von Cyanobakterien, die im Labor des Instituts gezüchtet werden. Diese auch als Blaualgen bezeichneten Mikroorganismen kommen im Süß- und Salzwasser vor und verwandeln wie Pflanzen das Sonnenlicht in. In den Räumen des Instituts wachsen sie in einem einkochtopfgroßen Glasgefäß, das mit einem Deckel verschlossen ist. Das Chlorophyll, Pigmente, mit dem die Cyanobakterien das Sonnenlicht einfangen, verleihen der Flüssigkeit eine gleichmäßige grasgrüne Farbe. Über eine Pumpe werden die Mikroorganismen permanent mit frischer Luft versorgt.
" Das sind also solche Cyanobakterien. (...) Die machen cyclische Peptide, wobei man aber noch nicht so sicher ist, wofür man sie einsetzt. Wir sind an einem an der Arbeit was eine antifungale Wirkung hat und uns viel von versprechen, dass es also gegen Pilze eingesetzt werden kann. Speziell gegen Lungenentzündungen, die Leute bekommen, die immun kompromittiert sind, also z.B. HIV-Patienten oder solche, die Transplantate haben. Da blubbert man ein bisschen Luft durch ... Und das besondere ist an den Cyanobakterien, dass sie Photosynthese machen können also direkt von CO2 und Sonnenlicht ihre Bausteine erzeugen. aber auch Stickstoff aus der Luft verwenden können. Sie brauchen also fast gar nichts. Sie brauchen nur Spurenelemente und können so Biomasse erzeugen."
Neben den Cyanobakterien werden an diesem Institut auch solche Mikroorganismen kultiviert, die Forscher aus Schwämmen isoliert haben. In einem Wärmeschrank vom Format einer Kommode stehen im mikrobiologischen Labor etwa 25 wasserglasgroße Glaskolben, in denen eine hell orangene, milchig-trübe Flüssigkeit schwimmt. Durch ein Sichtfenster können die Mikrobiologen beobachten, wie die Flüssigkeit in den Kolben permanent rotiert. Denn in dem Boden des Wärmeschranks sitzt ein Motor, der die Bakterienkultur unaufhörlich sanft durchrüttelt. Das geschieht, um die Mikroorganismen gleichmäßig mit Nährstoffen und Sauerstoff zu versorgen. Die wissenschaftliche Mitarbeiterin Elvira Gottardi betreut diese Bakterienzuchten.
" Hier werden Bakterienkulturen geschüttelt. Also wir bringen die zum wachsen und je nachdem wie langsam oder wie schnell sie wachsen bei einer bestimmten Temperatur oder bestimmten Geschwindigkeit und im richtigen Nährmedium und wachsen dann hoffentlich. Und schauen so schön orange aus wie diese hier.
Wir können auch mal aufmachen:"
" Riecht lecker! Na ja, die hier riechen ganz gut. Die E-Colis, die stinken immer ganz grausig."
Dank der hauseigenen Bakterienzucht können die Forscher die Eigenschaften der Mikroorganismen das ganze Jahr über untersuchen und sind nicht an Jahreszeiten gebunden. Zudem haben die Wissenschaftler so ständigen Zugang zu den Mikroorganismen und müssen nicht ans Meer fahren, um ihre Proben neu zu sammeln. Der entscheidende Vorteil dieser Methode ist aber, dass die Wirkstoffjäger die gesuchten Substanzen in größeren Mengen produzieren können, als es mit Schwammkulturen im Meer möglich wäre. Und das sogar mit wesentlich weniger Aufwand - vorausgesetzt, die Bakterien lassen sich züchten. Auch ökologisch gesehen bietet diese Methode enorme Vorteile. Ute Hentschel:
" Zu Anfang dieser Forschung ist man halt zum Tauchen gegangen und hat kilogrammweise Biomasse gesammelt und hat daraus, wenn man Glück hatte, wenige Milligramm an interessanten Substanzen isoliert. Und das kann man natürlich heutzutage unter dem Artenschutzabkommen nicht mehr so durchführen. Wenn man mit Mikroorganismen arbeitet, und die einmal in Kultur hat, hat man unbegrenzten Zugang zum Ausgangsmaterial und darauf setzen wir. "
Doch so einfach dieses Verfahren klingt: Bis die Forscher die Bakterien dazu gebracht haben, einen Wirkstoff kontinuierlich und verlässlich zu produzieren, vergehen oft Jahre. Und manchmal müssen die Forscher auch einsehen, dass sich eine Substanz gar nicht nutzen lässt, weil sie nicht in großem Maßstab produziert werden kann. Der Würzburger Chemiker Gerhard Bringmann:
" Einige Schwämme lassen sich gar nicht kultivieren nach wie vor, einige Mikroorganismen auch nicht. Wenn sie die Bakterien, Pilze und Blaualgen aus einem Schwamm nehmen, man schätzt, das davon lassen sich vielleicht 5 Prozent kultivieren. Die anderen 95 entgehen einem, selbst wenn man gute mikrobiologische Methoden hat. Mit der Methode, die Gene zu sammeln, erschließt sich vielleicht auch nicht alles doch vielleicht öffnet das noch mal ein neues Fenster und man erschließt sich damit noch mal eine neue Welt. Doch die meisten Schwämme sind nicht kultivierbar. "
Dass Schwämme so schwierig zu züchten sind, ärgerte die Menschen schon im 19. Jahrhundert. Denn mit der Renaissance der Badekultur in Europa waren echte Badeschwämme sehr gefragt. Weil sie nicht industriell hergestellt werden konnten, mussten Taucher die Schwämme extra aus der Tiefe der Meere fischen. Und so wurden Badeschwämme zu einem Luxus, den nicht nur der Dichter Christian Morgenstern zu schätzen wusste.
An meinen Badeschwamm
Großer Schwamm, du braver Bronnen,
drauf mein Aug' erwachend säumt,
der an seinem Garn versonnen
an des Ofens Vorsprung träumt!
Brüt ich über Denkdoktrinen,
nehm ich dich als Vorwurf gern;
und dann dienst du deinem Herrn
anders, als sonst Schwämme dienen.
Wie vom Schwert der Cherubim
wirst du dann von ihm entkleidet -
Farbe, Form, Charakter scheidet,
und du wirst ein Ding an ihm.
Doch nur etliche Minuten
schwebst du so, des Selbst beraubt ...
Und dann strömst du kühle Fluten
über sein erquicktes Haupt
Doch Schwämme wurden nicht nur zum Baden benutzt. Es gab Zeichen-, Abbeiz- und Ohrenschwämme und Frauen nutzten sie als Pessar sogar zur Verhütung. Modebewusste Damen rieben sich mit fein gemahlenen Schwammnadeln die Wangen ein, um ihnen einen rötlichen Schimmer zu verleihen. Aber auch Messing- Silber- und Kupfergegenständen wurden mit Schleifmitteln aus Schwammnadeln zu neuem Glanz verholfen. Dass Schwämme sogar der Gesundheit des Menschen gute Dienste leisten können, erkannte ein berühmter Philosoph und Naturforscher schon einige Jahrhunderte vorher:
" Es war bereits Aristoteles 320 v Chr., der in seinem Werk über die Natur den Schwämmen ein ganzes Kapitel gewidmet hat und bereits einige Schwämme beschrieben hat. Denen Namen gegeben hat, von denen einige noch im wissenschaftlichen Gebrauch sind. Zum anderen hat er aufgeführt, dass Schwämme medizinisch nutzvoll sind und Schwämme wurden deshalb vom Altertum her über Plinius bis in die beginnende Neuzeit intensiv schon genutzt in der Therapie, in der plastischen Chirurgie und zur Kosmetik."
Erklärt Werner Müller vom Institut für Physiologische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Er ist der Sprecher des Kompetenzzentrums Biotecmarin, einem Zusammenschluss verschiedener Forschungsinstitute, die gemeinsam nach Arzneistoffen aus dem Meer suchen. Eine wirklich wichtige Rolle in der Medizin spielten die Schwämme aber erst im Mittelalter.
" Einmal wurde es natürlich eingesetzt gegen Entzündung, Durchfall Infektionen aber auch zur Therapie von Krankheiten oder als Matrix für die Anwendung von Opium zur Betäubung in von Patienten im Mittelalter. Bekannt ist auch, dass bereits dieser so genannte Schlafschwamm von Carolus Magnus eingesetzt wurde zur Betäubung."
Der Schlafschwamm war noch im Mittelalter eines der wichtigsten Betäubungsmittel. Dazu tauchten die Anästhesisten einen Badeschwamm in einen Presssaft aus alkaloidhaltigen Pflanzen. Dieser saugte sich mit den Drogen voll und konnte dem Patienten während einer Operation auf den Mund gelegt werden. Eine Anleitung zur Herstellung eines solchen Schlafschwamms findet sich in der berühmten Rezeptesammlung des Italieners Nikolaus von Salerno:
" Wenn man bei einem Menschen etwas sägen oder schneiden will: Man nehme Opium Thebaicum, ferner den Saft des Bilsenkrautes, unreife Brombeeren, Salatsamen, Schierlingssaft, Mohn, Alraune und Efeu; gebe diese in ein Gefäß und tauche einen Schwamm hinein, ganz so, wie er frisch aus dem Meere kommt, ohne dass Süßwasser ihn berühre. Den Schwamm lege man in die Sonne und lasse ihn daselbst während der Hundstage trocknen, bis er alle Flüssigkeit aufgenommen hat. Bei Bedarf kann man nun ein Stückchen von dem Schwamm in nicht zu warmes Wasser tauchen und dem Patienten in die Nasenlöcher stecken; dann wird er alsbald einschlafen. Will man den Patienten überdies wieder erwecken, gebe man ihm Fenchelwurzelsaft zum riechen, da wird er schnell wieder bei sich sein."
Die Anwendung war nicht ungefährlich, weil die Konzentration des alkaloidreichen Presssafts nur schwer oder gar nicht kontrolliert werden konnte. Verabreichte man zu wenig des Extrakts, war die Schmerzempfindung nicht vollständig ausgeschaltet. Bei zuviel Wirkstoff konnte man den Patienten nicht mehr aus der Bewusstlosigkeit holen oder er bekam bleibende Narkoseschäden.
Auch in der Chirurgie nutzten die Menschen früher Schwämme. Zum Beispiel als Kompressen.
" Spongiae compressae: Man nehme feine, gereinigte und feuchte Schwammstücke, umwickele sie scharf mit Bindfaden oder schiebe sie in feuchte Glasröhrchen und lasse sie dort trocknen."
Mit diesen zusammen gepressten Schwämmen erweiterten Ärzte die Wunden ihrer Patienten um ihnen Eiter zu entziehen. Heutzutage werden Schwämme nicht mehr als Substrat für Betäubungsmittel oder als Kompressen eingesetzt. Und die Konzentrationen der Wirkstoffe aus diesen Meerestieren werden in langwierigen Versuchen genau ausprobiert. Schwämme spielen aber nicht nur im Bad und in der Medizin eine Rolle. Sie könnten eines Tages auch als Lichtleiter eingesetzt werden. Denn die Nadeln mancher Schwämme haben Eigenschaften, die sie für die Kommunikationstechnik sehr interessant machen. Um ihr Potenzial als Glasfaserkabel der Zukunft zu testen, untersuchen mehrere Doktoranden am Institut von Werner Müller die Licht leitenden Eigenschaften der Schwammnadeln vor einem Laser. Einer von ihnen ist Mathias Wiens.
" Wir haben hier eine Nadel von Hyalonema, das ist ein Tiefseeschwamm, vor einen Laser gesetzt. Vor einen Rotlichtlaser. Dort schicken wir dann Laserlicht durch und sehen jetzt hier, dass die ganze Nadel leuchtet. Und vorne glimmt auch das Ende der Nadel. Die Nadel ist 15 cm Meter groß geht aber auch mit größeren oder kleineren Nadeln und damit wollen wir testen wie die Lichtleitereigenschaften von so einer Schwammnadel sind. Die ja aus amorphem Silikat besteht also praktisch aus Glas und damit konnten wir zeigen, dass so eine Schwammnadel die gleichen Eigenschaften hat wie ein kommerzieller Lichtleiter. Der in der Industrie in der Fabrik hergestellt wird aber unter einem beträchtlichem Aufwand, materiellem Aufwand und der Schwamm macht das in der Tiefsee bei niedrigen Temperaturen, natürlich unter Druck und wir versuchen nun, da wir auch die Enzyme gefunden haben, die diese Nadeln synthetisieren, würden wir das ganze natürlich auch gerne im Labormaßstab hinkriegen. Dass wir dann so eine Nadel bei Raumtemperatur herstellen können und dann auch irgendwann mal in der Industrie einsetzen."
Wie aber finden die Forscher diejenigen Schwämme, die sie vielleicht eines Tages industriell nützen können. Und wie erkennen sie, welche der Millionen von Organismen im Meer interessante Wirkstoffe enthalten könnten? Der Würzburger Chemiker Gerhard Bringmann:
" Manchmal kann man es einem Organismus ansehen. Da hilft wie in guter alter Zeit die Beobachtung. Bei manchen Schnecken z.B. die sehen wunderschön aus, tolle Farben. Und da fragt man sich natürlich: Das ist so ein Blickfang für jeden Räuber, die können sich das leisten, so auffällig zu sein. Die müssen etwas haben, was sie trotzdem so unattraktiv macht und das sind dann meist diese starken Gifte."
Manchmal orientieren sich die Wissenschaftler aber einfach nur nach dem Alter der Organismen. Wie lange lebt eine Art schon auf der Erde, wie erfolgreich ist sie und kann sie sich gegen ihre Konkurrenten behaupten? Besonders konservative, aber erfolgreiche Kandidaten leben im Meer. Deswegen suchen die Forscher vor allem hier.
" Was mich selber gewundert hat, als ich eingestiegen auf dem Gebiet der Meeresnaturstoffen. Ich war immer davon ausgegangen, das Meer hatte immer eine gleich bleibende Temperatur. es ist immer da gewesen - es hat nie so riesige Veränderungen gegeben wie auf dem Land. Stellen sie sich vor, da hat es die Eiszeiten gegeben, da hat es extreme Schwankungen, Naturkatastrophen gegeben. Das gibt es in dem Sinne im Meer nicht. Es ist immer so um die 20 Grad Warm. Gibt's da überhaupt den großen Selektionsdruck im Meer? Aber das Meer hat durch seine Kontinuität auch eine kontinuierliche Entwicklung erlaubt, darum gibt es ja auch so Tiere wie die Quastenflosser. Gerade die Kontinuität des Meeres hat ja auch dazu geführt, dass bestimmte Bereiche nie ganz ausgestorben sind wie das z.B. Mit den Sauriern der Fall war und das man dort auch alte Tiergruppen hat , wie z.B. die Schwämme, die 800 Millionen Jahre alt sind, 800 Millionen Jahre Zeit hatten, sich auf diese Situation einzustellen, dass dort eine so hohe Dichte an Organismen ist dass dort permanent die Notwendigkeit ist, sich mithilfe chemischer Waffen zu behaupten."
Zudem hatten diejenigen Tiere, die schon lange im Meer leben, sehr viel Zeit um ihre chemische Abwehr zu optimieren. Dass macht diese Lebewesen für den Mainzer Biologen Werner Müller so interessant für die Suche nach Arzneistoffen.
" Dies kann zum jetzigen Zeitpunkt die Chemie noch nicht leisten , das was die Natur in ihrer über 800 Millionen Jahre Evolution geleistet hat, dass sie so genannte Sekundärmetabolite bis zur optimalen Aktivität ausgetestet haben sondern die Chemiker sind in erster Linie darauf angewiesen, eine Vielzahl von Substanzen zu synthetisieren von denen sie annehmen und hoffen können, dass zumindest einige von ihnen aktiv sind und wirken. Das ist umgekehrt bei den Schwämmen , deren Sekundärmetabolite sind a priori bioaktiv denn sonst würden sie nicht existent sein in diesem Schwamm Das heißt das proof of concept, dass diese Substanzen bioaktiv sind, hat uns die Natur schon abgenommen. Also die Substanzen, die der Schwamm produziert sind also aktiv, sind also wertvolle, potenzielle Arzneimittel."
Eine Substanz, die alle Test und klinischen Studien schon lange hinter sich hat, ist das Anti-Herpesmittel Vidarabin. Vidarabin stammt aus einem Schwamm und ist bereits seit den siebziger Jahren auf dem Markt. Ein anderer Wirkstoff, den die Forscher aus einem Schwamm isoliert haben, ist das Discodermolid. Er stammt aus dem Schwamm Discodermia dissolute, der in der Tiefsee um die Bahamas gedeiht. Im Tierversuch war das Discodermolid bereits gegen Krebs wirksam, derzeit laufen klinische Studien. Hans von Döhren von der Technischen Universität Berlin:.
" Völlig neuartige Medikamente werden derzeit entwickelt: Toxine aus Kegelschnecken, die ja bekannt sind als Indianer im Riff, weil sie mit kleinen Pfeilen auf ihre Beute schießen und die dann sofort gelähmt ist. Und die haben eine ganz reichhaltige Kollektion von Wirkstoffen, von denen man sich was verspricht. Auch in Richtung Krebs. Aber in erster Linie ist es eine neue Form von Schmerzmedikamenten und die gerade Zulassung bekommen haben und an diesen Toxinen wird weiter geforscht, weil es sehr unterschiedliche Toxine sind, die darin vorkommen. Es hat einen völlig neuen Wirkmechanismus, so dass man in Fällen, wo die anderen Mittel nicht mehr wirken, sich davon Erfolg verspricht."
Dieses Toxin ist unter dem Namen "Prialt" seit Dezember 2004 auf dem Markt. Allerdings bisher nur in den USA. Die Bausteine für dieses Medikament lieferte die Kegelschnecke Conus magnus. Der Vorteil dieser Arznei: Das Mittel ist wesentlich wirksamer als Morphium und macht nicht süchtig. Problematisch ist allerdings die Anwendung dieser Substanz: Sie muss als Flüssigkeit direkt ins Rückenmark gelangen. Daher wird das Medikament bisher nur extremen Schmerzpatienten verabreicht.
Auch auf der Suche nach einem Mittel gegen Malaria wurden die Forscher bereits fündig: Die Inhaltsstoffe des australischen Schwamms Cymbastela hooperi waren gegen diese tropische Krankheit wirksam. An einer Vermarktung dieser Substanz zeigten Pharmaunternehmen bisher jedoch wenig Interesse. Denn mit einer Krankheit wie Malaria, an der fast ausschließlich Menschen in Entwicklungsländern erkranken, lässt sich kein Geld verdienen.
Einer der aussichtsreichen Kandidaten für ein Krebsmedikament, das eventuell bald zugelassen sein wird, ist die Substanz Ecteinascidin. Sie stammt aus dem Manteltier Ecteinascidia turbinata, das in tropischen Meeren aber auch im Mittelmeer vorkommt. Manteltiere leben wie die Schwämme als festsitzende Strudler und ernähren sich von Plankton. Produziert wird diese Substanz von der spanischen Firma Pharmamar. Das Ecteinascidin destabilisiert die Erbsubstanz von Tumorzellen, verhindert deren Reparatur und hemmt den Zellzyklus. In der Folge stirbt die Krebszelle. Sie ist gegen Tumorarten wirksam, die die Weichteile des Menschen befallen. Also Muskel-, Bindegewebe Blut- oder Lymphgefäße, Gefäße oder Fettgewebe.
" Es gibt schon Wirkstoffe, aber die Arbeiten die notwendig sind, um die auch anzuwenden, sie in die klinischen Tests zu bringen, das kostet natürlich einen Haufen Geld. Und das zieht sich hin. Es gibt in Europa die führende Firma Pharmamar, die seit etwa 3-4 Jahren versucht, Krebsmedikamente auf dem Markt zu bringen und da gab es ein Zulassungsproblem im letzten Jahr und das hat natürlich auch die Finanzen zurückgeworfen. Die Wirksamkeit war für die Zulassungsbehörde nicht überzeugend, also nicht ausreichend besser als Medikamente, die schon auf dem Markt sind."
Bis es eine viel versprechende Substanz geschafft hat, in den Regalen der Apotheken zum Verkauf zu stehen, brauchen Forscher wie Hans von Döhren einen langen Atem. Und bisher sind noch nicht einmal alle aussichtsreichen Kandidaten getestet worden.
" Nach Abschluss dieses Projekts vor der norwegischen Küste, wo wir ungefähr 100 Schwämme gesammelt haben und Bakterien isoliert haben, haben wir ungefähr 1500 Isolate. Und diese Isolate sind oberflächlich durchgeguckt worden nach wirksamen Substanzen, speziell gegen Krebs, antifungal und antibakteriell. Aber es ist noch ein weiter Weg, diese Substanzen dann auch zu identifizieren und noch mal zu überlegen: Lohnt es sich, die zu identifizieren. Das kann also noch mal einige Jahre dauern und es ist auch gar nicht gesagt, ob die Isolate das überleben. Manche gehen ja auch wieder ein. Man könnte schon einige Hundert Wissenschaftler damit beschäftigen so ein bis zwei Jahre, um das alles aufzuarbeiten."
Und so schlummern in den Kühlschränken des Institut für Biophysikalische Chemie und Biochemie der Technischen Universität Berlin noch Tausende verschiedener Arten von Mikroorganismen aus dem Meer, die darauf warten, ihr Potenzial als Wirkstofflieferanten noch unter Beweis stellen zu können.