Therapeutika und Bioinsektizide: Herstellung durch Spinnengift

Das Gift ein­er einzi­gen Spinne kann bis zu 3000 Kom­po­nen­ten enthal­ten. Aus den Bestandteilen, meist Pep­ti­den, lassen sich vielver­sprechende Wirk­stof­fkan­di­dat­en für die Behand­lung von Krankheit­en entwick­eln. Auch in der Schädlings­bekämp­fung kann Spin­nengift einge­set­zt wer­den – als biol­o­gis­ches Pflanzen­schutzmit­tel. Ein Forscherteam des Fraun­hofer-Insti­tuts für Moleku­lar­biolo­gie und Ange­wandte Oekolo­gie IME und der Jus­tus-Liebig-Uni­ver­sität Gießen wid­met sich vor allem den bish­er kaum beachteten ein­heimis­chen Spin­nen und ihrem Gift­mix. Die Forschungsergeb­nisse zur Biolo­gie der Tox­ine – ins­beson­dere zum Gift der Wespen­spinne – wur­den in Fachzeitschriften veröffentlicht.

Spin­nen bere­it­en vie­len Men­schen ein gewiss­es Unbe­ha­gen, manche haben sog­ar Angst vor den Acht­bein­ern. Am Fraun­hofer-Insti­tut für Moleku­lar­biolo­gie und Ange­wandte Oekolo­gie IME in Gießen sind sie hinge­gen willkom­men. Hier forscht der Bio­chemik­er Dr. Tim Lüd­decke mit seinem Team an Spinnentoxinen.

»Spin­nengifte sind eine weit­ge­hend uner­schlossene Ressource, dies liegt unter anderem an der schieren Vielfalt – etwa 50 000 Arten sind bekan­nt. Im Spin­nengift steckt viel Poten­zial für die Medi­zin, etwa bei der Erforschung von Krankheitsmechanismen.«

- Dr. Tim Lüd­decke, Leit­er der neuen Arbeits­gruppe »Ani­mal Venomics«

So kann im Labor unter­sucht wer­den, wie einzelne Tox­ine auf Schmerzrezep­toren von Ner­ven­zellen wirken. Beson­ders vielver­sprechend ist der Gift­cock­tail der Aus­tralis­chen Trichter­net­zspinne. Man geht davon aus, dass sich damit neu­ronale Schä­den nach Schla­gan­fällen behan­deln und Herzen für Organtrans­plan­ta­tio­nen länger halt­bar machen lassen. Andere Wirk­stof­fkan­di­dat­en sind inter­es­sant für die Anwen­dung als Antibi­otikum oder als Schmerzmit­tel. »Es han­delt sich um ein sehr junges Forschungs­feld. Die Sub­stanzen sind zwar ent­deckt und beschrieben, sie befind­en sich aber noch nicht in der Präk­linik«, so Lüd­decke. Anders sieht es bei der Pes­tizid­forschung aus. Spin­nen betäuben Insek­ten mit ihrem Gift und fressen sie anschließend. Da die Tox­ine sehr wirk­sam gegen Insek­ten sind, bieten sie eine gute Grund­lage für Biopes­tizide, sie eignen sich für die Schädlings­bekämp­fung von Nutzpflanzen.

Die Forschung konzen­tri­erte sich bis­lang auf die Gifte der sehr großen oder poten­ziell gefährlichen Arten, die in den Tropen leben. Die ein­heimis­chen, kleinen und harm­losen Spin­nen standen nicht im Fokus. »Die meis­ten Spin­nen in Mit­teleu­ropa sind max­i­mal zwei Zen­time­ter groß, ihre Gift­menge reichte für Exper­i­mente nicht aus. Doch inzwis­chen ver­fü­gen wir über präzise Analysemeth­o­d­en, um auch die gerin­gen Men­gen der bish­er ver­nach­läs­sigten Mehrheit der Spin­nen unter­suchen zu kön­nen«, erläutert Lüd­decke. Diesen Arten wid­met sich die Arbeits­gruppe am Gießen­er Insti­tut­steil Biores­sourcen des Fraun­hofer IME im Rah­men eines Forschung­spro­jek­ts. Dabei arbeit­en sie unter anderem mit Forscherteams der Jus­tus-Liebig-Uni­ver­sität Gießen zusam­men. Gefördert wird die Arbeit durch das das LOEWE-Zen­trum für Trans­la­tionale Bio­di­ver­sitätsgenomik (LOEWE-TBG) in Frank­furt am Main.

Beson­deres Augen­merk der Wis­senschaft­lerin­nen und Wis­senschaftler gilt der Wespen­spinne (Argiope bruen­nichi), die ihren Namen ihrer auf­fäl­lig wespenähn­lichen Fär­bung ver­dankt. Es ist ihnen gelun­gen, ihr Gift zu entschlüs­seln, wobei sie zahlre­iche neuar­tige Bio­moleküle iden­ti­fizierten. Die Forschungsergeb­nisse wur­den in der Fachzeitschrift »Bio­mol­e­cules« veröffentlicht.

Neue Biomoleküle aus dem Gift der Wespenspinne

Spin­nengifte sind hochkom­plex, sie kön­nen bis zu max­i­mal 3000 Kom­po­nen­ten enthal­ten. Das Gift der Wespen­spinne hinge­gen enthält nur etwa 53 Bio­moleküle. Es ist stark von hochmoleku­laren Bestandteilen dominiert, dazu gehören soge­nan­nte CAP-Pro­teine und andere Enzyme. Wie in anderen Spin­nengiften sind Knot­tine vorhan­den – allerd­ings machen diese nur einen gerin­gen Teil des gesamten Gemischs aus.

Knot­tine stellen eine Gruppe von neu­ro­tox­is­chen Pep­ti­den dar, die auf­grund ihrer Knoten­struk­tur robust gegenüber chemis­chem, enzy­ma­tis­chem und ther­mis­chem Abbau sind. Man kön­nte diese Moleküle daher als Bestandteil von Medika­menten oral verabre­ichen, ohne dass sie im Magen-Darm­trakt ver­daut wer­den. Sie kön­nen ihre Wirkung daher sehr gut ent­fal­ten, weshalb sie großes Poten­zial für die Medi­zin bieten. Darüber hin­aus binden Knot­tine spez­i­fisch an Ionenkanäle. »Je spez­i­fis­ch­er ein Molekül an sein Ziel­molekül andockt, nur einen einzi­gen Typ von Ionenkanal angreift, desto weniger Neben­wirkun­gen löst es aus«, erk­lärt Lüd­decke. Zudem bee­in­flussen die Knot­tine schon in gerin­gen Men­gen die Aktiv­ität der Ionenkanäle, sprich, sie sind in geringer Konzen­tra­tion wirk­sam. Infolgedessen kön­nen abgeleit­ete Arzneien niedrig dosiert verabre­icht wer­den. Die Kom­bi­na­tion dieser Eigen­schaften machen Spin­nengifte so inter­es­sant für die Wissenschaft.

Auch ent­deck­ten die Pro­jek­t­part­ner im Gift der Wespen­spinne Moleküle, die in ihrer Struk­tur Neu­ropep­ti­den ähneln, die für den Trans­port von Infor­ma­tio­nen zwis­chen den Ner­ven­zellen ver­ant­wortlich sind. »Wir haben neuar­tige Fam­i­lien von Neu­ropep­ti­den gefun­den, die wir bis­lang von anderen Spin­nen nicht ken­nen. Wir ver­muten, dass die Wespen­spinne damit das Ner­ven­sys­tem von Insek­ten angreift. Seit Län­gerem ist bekan­nt, dass Neu­ropep­tide im Tier­re­ich im Laufe der Evo­lu­tion häu­fig zu Tox­i­nen umge­baut wer­den«, sagt der Forscher.

Giftstoffe im Labor vervielfältigen

Da die Gif­taus­beute bei kleinen Spin­nen ger­ing aus­fällt, ent­nehmen die Forscherin­nen und Forsch­er die Gift­drüsen und sequen­zieren daraus die mRNA. Auf­grund der Gen­struk­tur lassen sich die Tox­ine entschlüs­seln. Das Gift­pro­fil der Wespen­spinne liegt inzwis­chen voll­ständig vor, im näch­sten Schritt wer­den die rel­e­van­ten Kom­po­nen­ten hergestellt. Hier­für wird die Gense­quenz mit­tels Biotech­nolo­gie in eine Bak­te­rien­zelle einge­baut, die dann das Tox­in pro­duziert. »Wir bauen qua­si genetisch mod­i­fizierte Bak­te­rien, die das Tox­in in großem Maßstab her­stellen.« Die Haup­tkom­po­nente des Wespen­spin­nengifts, das CAP-Pro­tein, kon­nten Lüd­decke und sein Team in Großserie her­stellen. Erste funk­tionelle Stu­di­en starten in Kürze.

Gift männlicher und weiblicher Spinnen unterscheidet sich

In ein­er weit­eren Über­sicht­sar­beit kon­nte der Bio­chemik­er in Koop­er­a­tion mit den Kol­le­gen der Jus­tus-Liebig- Uni­ver­sität Gießen und Forschen­den der aus­tralis­chen Uni­ver­si­ty of the Sun­shine Coast ableit­en, dass Spin­nengifte sehr dynamisch sind und dass viele Ein­flüsse ihre Zusam­menset­zung und Funk­tion­sweise prä­gen. »Die Dynamik des Spin­nengifts wurde bis­lang völ­lig unter­schätzt. Das bio­chemis­che Reper­toire wird entschei­dend vom Lebens­ab­schnitt, Leben­sraum und vor allem vom Geschlecht bee­in­flusst. Auch der Gift­cock­tail von Jungtieren und Erwach­se­nen ist nicht unbe­d­ingt iden­tisch. Es ist vielmehr das Zusam­men­wirken der vie­len Bestandteile, das Spin­nengift so wirk­sam macht, als die Wirkung eines einzel­nen Tox­ins. Durch ihre Wech­sel­wirkun­gen steigern die Kom­po­nen­ten ihre Wirk­samkeit«, resümiert der Forscher.