Was Biodiversität betrifft, gelten Insekten mit über einer Million beschriebener Arten als die erfolgreichste Organismengruppe. Sie haben im Laufe ihrer Evolution ein riesiges Arsenal von Wirkstoffen und Enzymen entwickelt, mit denen sie sich gegen Krankheiten und Feinde verteidigen oder ihre Ernährung sichern können. Die Erschließung dieser gewaltigen Naturstoffbibliothek für die Bioökonomie ist eine Kernaufgabe der Insektenbiotechnologie, die inzwischen auch als Gelbe Biotechnologie bekannt geworden ist.

Was versteht man unter Insektenbiotechnologie?

Mit Insekten verbinden die meisten Menschen nicht unbedingt etwas Positives. Zum einen sind sie in Hinblick auf die Mengen an Lebensmitteln, die bei deren Anbau und Lagerung durch sie verloren gehen, unsere größten Nahrungskonkurrenten, zum anderen sterben Millionen Menschen jährlich an den von ihnen übertragenen ­Krankheiten wie z.B. Malaria. Vor diesem Hintergrund beschränkte sich die angewandte Entomologie über­wiegend auf Forschungen, die auf die Entwicklung von Bekämpfungsstrategien gegen Insekten ausgerichtet waren. Die Entwicklung innovativer, biotechnologischer Methoden wird künftig nicht nur die nachhaltige und umweltschonende Kontrolle von Schad- und Vektorinsekten ermöglichen, sondern auch die Nutzbarmachung von Insekten als Lieferanten von Wirkstoffen für die Bioöko­nomie. Weiterhin schlummert in Insekten ein gewaltiges Potenzial für die Biokonversion von biologischen Abfällen. Wir definieren die Insektenbiotechnologie als die Anwendung biotechnologischer Methoden, um Insekten bzw. die von diesen stammenden Moleküle, Zellen, Organe oder Mikroorganismen als Produkte für Anwendungen in der Medizin, im Pflanzenschutz oder der Industrie nutzbar zu machen. Dieses auch als Gelbe Biotechnologie bekannt gewordene Emerging Field orientiert sich bei der Entwicklung von neuen Ansätzen entlang der Wertschöpfungskette. Sie hat deshalb beachtliches wirtschaftliches Potenzial und ist deshalb ein Zugpferd bei der Nutzbarmachung von Biodiversität für die Bioökonomie [1-3]. Die deutschland- und europaweit größte operative Einheit ist das LOEWE-­Zentrum für Insektenbiotechnologie und Bioressourcen, das an der Justus-Liebig-Universität Gießen und der ­Technischen Hochschule Mittelhessen angesiedelt ist.

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Abb. 1a Die Maden der Goldfliege Lucilia sericata

Insektenzellen als ­Expressionssysteme

Die Biodiversität, die bei Insekten auf Artenebene offenkundig ist, spiegelt sich auch auf der biochemischen und molekularen Ebene wider. Insekten und die mit diesen assoziierten Mikroorganismen produzieren eine unglaubliche Vielfalt an Wirkstoffen, die es zum Wohle der Menschheit zu erschließen gilt. Dabei geht die Insektenbiotechnologie über die reine Naturstoffforschung hinaus, denn vermarkten lassen sich nur solche Wirkstoffe, die zumindest kostendeckend in entsprechend großen Mengen produziert werden können. Peptide oder Proteine, die von Insekten oder ihren symbiontischen Mikroben produziert werden, lassen sich als synthetische oder rekombinante Analoga herstellen.

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Abb. 1b Wundmaden auf Blutagar

Von Insekten synthetisierte Enzyme oder Peptide sind jedoch häufig komplex gefaltet oder nach der Translation modifiziert, sodass sie in dieser Form nicht über Bakterien oder Hefen dargestellt werden können. Vor diesem Hintergrund boomen auf Insektenzellen basierende Expressionssys­teme, die auch im Vergleich zu Zelllinien aus Wirbel­tieren verschiedene Vorteile bieten. Die Entwicklung von kosteneffizienten und auf Insektenzellen basierenden Fermentertechnologien ist eine ingenieurwissenschaftliche Herausforderung, der sich Forscher im LOEWE-Zentrum für Insektenbiotechnologie und Bioressourcen mit Erfolg stellen.

Neue Medikamente aus Insekten

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Abb. 2 Der Asiatische Marienkäfer Harmonia axyridis

Zahlreiche Substanzen, die von Insekten oder ihren mikrobiellen Symbionten produziert werden, sind für mögliche therapeutische Anwendungen interessant. So gehören die Maden der Goldfliege Lucilia sericata (Abb. 1a u. b) in vielen Kulturen zur traditionellen Medizin und die inzwischen zugelassene Madentherapie wird vielerorts nicht nur bei der Behandlung chronischer oder nicht heilender Wunden praktiziert, sondern auch zur Therapie von Erkrankungen wie dem diabetischen Fuß eingesetzt. Die teilweise spektakulären Behandlungserfolge basieren u.a. auf von den Maden produzierten und in die Wunde sekretierten Wirkstoffen. Diese desinfizieren die Wunde und beschleunigen deren Heilung. Weiterhin können sie das nekrotische Gewebe verdauen, ohne das gesunde zu schädigen.

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Abb. 3 H. axyridis verfügt über ein enormes anti­bakterielles Potenzial. Wie anhand der mit Kolibakterien beimpften Petrischale erkennbar ist, werden in der Umgebung von H. axyridis die Bakterien abgetötet, während sich um die heimischen Marienkäferarten Coccinella septempunctata und Adalia bipunctata kein oder nur ein kleiner Hemmhof gebildet hat.

Der Einsatz von Maden bei der Wundbehandlung stößt nicht immer auf positive Resonanz bei den Patienten und entkommende Maden können sich zu Fliegen entwickeln, die im Krankenhaus Keime verbreiten. Der translationale Ansatz in der Insekten­biotechnologie zielt darauf ab, möglichst alle in den Madensekreten enthaltenen und therapeutisch wirksamen Moleküle zu identifizieren und diese als synthetische bzw. rekombinant hergestellte Analoga zum Beispiel in Hydrogelen zu formulieren und als heilungsfördernde Wundsalben auf den Markt zu bringen. Dabei zeigen jüngste Forschungen, dass die von den Maden produzierten antimikrobiellen Peptide zum Teil synergistisch gegen humanpathogene Bakterien wirken. Der kom­binierte Einsatz von synergistisch wirksamen antimikrobiellen Peptiden reduziert die für die Therapie erforderlichen Mengen zum Teil drastisch [4].

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Abb. 4 Harmonin, aus H. axyridis gewonnen

In Hinblick auf antimikrobielle Moleküle verfügen Insekten über die größte Vielfalt. Spitzenreiter ist ­gegenwärtig der Asiatische Marienkäfer Harmonia axyridis (Abb. 2 u. 3), bei dem über 50 Gene entdeckt wurden, die für antimikrobielle Peptide kodieren. In keinem anderen Organismus wurden bisher mehr entdeckt [5]. Aber auch kleineren Molekülen, die als Leitstrukturen für die Entwicklung von neuen Antibiotika geeignet sind, wird gegenwärtig große Aufmerksamkeit geschenkt. So ist zum Beispiel das aus dem Asiatischen Marienkäfer gewonnene Harmonin (Abb. 4) gegen die Erreger von Tuberkulose und Malaria wirksam [6]. Die Entwicklung von solchen Wirkstoffen zu neuen Antibiotika ist jedoch kostenaufwendig und risikobehaftet. Die Gießener Insektenbiotechno­logen arbeiten deshalb bei der Entwicklung von Antibiotika aus Insekten eng mit industriellen Partnern wie Sanofi zusammen.

Insektenenzyme für die industrielle Biotechnologie

Insekten haben im Verlauf der Evolution die Fähigkeit erworben, nahezu jedes organische Substrat wie z.B.
Holz oder Kadaver als Nahrung nutzen zu können. Dabei haben sie spezialisierte Enzyme entwickelt, die u.a. für die Biokonversion von organischen Abfällen und damit für die Bioökonomie interessant sind. Bei der gezielten Suche nach neuen Enzymen für Anwendungen in der industriellen Biotechnologie lassen wir uns von wissensbasierten Ansätzen leiten. So untersucht unser Forschungsbereich in Gießen nicht nur, warum Kleidermotten Kleider fressen und verdauen können, sondern auch, wie die Larven der Soldatenfliege Hermetia illucens Jauche, altes Frittierfett oder Silageabfälle in Fette und Eiweiß verwandeln können, die künftig z.B. als Futter für die Fischzucht verwendet werden können.

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Abb. 5 Der Totengräber-Käfer Nicrophorus vespilloides

Ein besonders beeindruckendes Beispiel für die gezielte Suche nach neuen Enzymen ist der Totengräberkäfer Nicrophorus vespilloides (Abb. 5), der über Kilometer hinweg Kadaver von kleinen Säugern oder Vögeln orten kann, die er im Boden vergräbt und anschließend als Nahrung für sich und seinen Nachwuchs nutzt (Abb. 6). Dabei ist bemerkenswert, dass die Totengräber ihre mehrere hundertfach schwereren Kadaver nicht nur chemisch konservieren [7], sondern auch vor dem Maul mit Haut und Haaren verdauen können. Hierfür müssen sie über Enzyme verfügen, die u.a. für die Biokonversion von Schlachtabfällen nutzbar gemacht werden können.

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Abb. 6 N. vespilloides mit Larven in Maus-Kadaver

Die wenigen ausgewählten Beispiele zeigen, dass Insekten weit mehr nützliche Produkte für den Menschen liefern können als Honig und Seide. Die Insektenbiotechnologie hat aus diesem Grund nicht nur ein großes ökonomisches Potenzial, sondern auch eine positive Wachstumsprognose. Insbesondere in asiatischen Ländern wie China, Japan und Südkorea werden enorme Summen in die Erschließung von Biodiversität für die Bioökonomie investiert. Die Erkenntnis, dass Insekten nicht nur als Bestäuber, sondern auch als Ressource für Naturstoffe zunehmend von Bedeutung sind, kann sicherlich ihr Image in der Bevölkerung verbessern.

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Infobox

LOEWE-Zentrum für Insektenbiotechnologie & Bioressourcen

Das LOEWE-­Zentrum für Insektenbiotechnologie und Bioressourcen (ZIB) nutzt die Biodiversität der Insekten auf molekularer Ebene, um neue Wirkstoffe für Anwen­dungen in der Medizin, im nachhaltigen Pflanzenschutz oder in der industriellen Biotechnologie zu entwickeln. Das ZIB zeichnet sich durch enge Kooperationen zwischen der Justus­-Liebig-­Universität Gießen, der Technischen Hochschule Mittelhessen, des Fraunhofer-­Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie (Fraunhofer IME), Aachen, und forschenden Unternehmen wie z.B. dem Pharmakonzern Sanofi aus. In dem Forschungsverbund schlagen die Experten die Brücke von der Grundlagenforschung über die anwen­dungsbezogene Forschung bis hin zur unternehmerischen Praxis. Mit diesem translationalen Ansatz verfügt das ZIB auf seinem Forschungsfeld national und international über ein Alleinstellungsmerkmal. Seit 2008 investiert Hessen mit dem Forschungsförderungspro­gramm LOEWE gezielt in exzellente Forschungs-­ und Entwicklungsaktivitäten an Universitäten, Fachhochschulen, außeruniversitären Forschungseinrichtungen sowie kleinen und mittleren Unternehmen.

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Literatur:
[1] Vilcinskas, A. (Hrsg.) (2011) Insect Biotechnology. Springer, 266 S. ISBN 978-90-481-9640-1
[2] Vilcinskas, A. (Ed.) (2013) Yellow Biotechnology I (Insect Biotechnology in Drug Discovery and Preclinical Research), Springer Book Series: Advances in Biochemical Engineering and Biotechnology, 198 S. ISBN 978-3-642-39862-9
[3] Vilcinskas, A. (Hrsg.) (2013) Yellow Biotechnology II (Insect Biotechnology in Plant Protection and Industry), Springer Book Series: Advances in Biochemical Engineering and Biotechnology, 209 S. ISBN 978-3-642-39901-5
[4] Pöppel, A.-K. et al. (2015) Antimicrobial Agents and Chemotherapy 59, 2508-2514
[5] Vilcinskas, A. et al. (2013) Proceedings of the Royal Society B 280 (1750), 2012-2113
[6] Röhrich, R. et al. (2012) Biology Letters 8, 308-311
[7] Degenkolb, T. (2011) J. Chem Ecol. 37, 724-735