Mit Grüner Chemie gegen Malaria

Prof. Dr.-Ing. Andreas Seidel-Morgenstern und Doktoranden Susann Triemer und Giang Truong Vu mit Beiflußpflanzen vor der Magdeburger Anlage zur Artemisininsynthese. ©Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme

Forscher aus Sachsen-Anhalt entdecken effiziente  Medikamentenproduktion gegen Tropenkrankheit

Dank der Verbesserung chemischer Verfahren können Forscher größere Mengen des Anti-Malaria-Wirkstoffs Artemisinin aus einer asiatischen Pflanze gewinnen. Die Produktion ist schneller und umweltschonender als bisher. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg sind an den Forschungen maßgeblich beteiligt.

 Malaria ist eine in vielen ärmeren Ländern weit verbreitete Infektionskrankheit. Jährlich sterben an ihr rund 650.000 Menschen. Fast 90 Prozent davon sind Kinder unter fünf Jahren. Obwohl sich die Krankheit behandeln lässt, können sich viele Menschen in Entwicklungsländern Anti-Malaria-Medikamente nicht leisten. Das könnte sich zukünftig dank der Forschungen von Wissenschaftlern der Max-Planck-Institute für Kolloid- und Grenzflächenforschung bei Potsdam und für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg verändern.

Asiatische Pflanze produziert Anti-Malaria-Mittel

In den 1970er  Jahren hat eine chinesische Wissenschaftlerin den Wirkstoff Artemisinin in einer asiatischen Beifuß-Pflanze namens „Qinghao“ (Artemisia annua) isoliert.  Die Pflanze produziert den Malaria-Schutz im Verlauf eines Jahres zur Abwehr ihrer Fressfeinde. Bei mit Malaria infizierten Menschen wirkt er heilend. Genügend Artemisinin aus der Pflanze zu gewinnen ist aber nicht einfach. Die Menge des in den Blättern und Stängeln enthaltenen Artemisinins schwankt mit dem Wachstum der Pflanzen. Selbst zum optimalen Zeitpunkt der Ernte beträgt der Anteil kaum mehr als ein Prozent der Pflanzentrockenmasse. Man braucht deshalb bislang viel Pflanzenmasse, um daraus den Wirkstoff zu gewinnen. Malaria-Medikamente sind daher relativ teuer.

Wissenschaftler verbesserten die Wirkstoffgewinnung 

Anfang des 21. Jahrhunderts entdeckte die Arbeitsgruppe um den Biochemiker Professor Dr. Peter Seeberger, Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung bei Potsdam, dass eine von den Pflanzen vor der Ernte gebildete Artemisinin-Vorläufersubstanz unter Laborbedingungen zu Artemisinin umgewandelt werden kann. Das macht es möglich, größere Mengen des Anti-Malaria Mittels aus den Pflanzen zu gewinnen.

Um die Teilschritte des Verfahrens und den gesamten Prozess der Stoffgewinnung weiter zu optimieren, setzte sich Seeberger vor fünf Jahren mit dem Verfahrenstechniker Prof. Dr. Andreas Seidel-Morgenstern vom Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg in Verbindung. 

Umweltfreundliche und kostengünstigere Wirkstoffproduktion

Ein bedeutender Fortschritt dieser Zusammenarbeit war die Entdeckung, dass zur Gewinnung der Artemisinin-Vorläufersubstanz kein Katalysator zugeführt werden muss. In ihrer Doktorarbeit konnte Susann Triemer, Doktorandin am Magdeburger Max-Planck-Institut, zeigen, dass der von der Pflanze selbst produzierte grüne Farbstoff Chlorophyll als lichtempfindlicher Fotokatalysator für die Artemisinin-Synthese genutzt werden kann. „Das ist grüne Chemie“,  sagt Susann Triemer: Eine umweltfreundliche Wirkstoff-Produktion, die auch die Kosten senken wird.

Schneller als die Natur

Im Labor erfolgen die Reaktionen in Schläuchen, dünn wie ein Strohhalm. Bei einer Temperatur von minus 20 Grad Celsius und einem Überdruck von sechs bar durchströmt das flüssige Pflanzenextrakt kontinuierlich die Schlauchreaktoren. Unter Kunstlicht konnten die Forschenden  bereits eine Artemisinin-Ausbeute von 67 Prozent erreichen. „Wofür die Pflanze mehrere Tage braucht, das können wir unter Laborbedingungen in wenigen Minuten schaffen“ so Triemer.  

Die Forschenden des Magdeburger Max-Planck Instituts arbeiten daran, die Effizienz der Prozesskette noch zu verbessern, um die Ausbeute der Anti-Malaria-Wirkstoffe weiter zu steigern. Dabei kooperieren sie u.a. mit  Prof. Dr.-Ing. Ulrike Krewer, Dr. René Schenkendorf und dem Doktoranden Moritz Schulze von der TU Braunschweig. Sie sollen bei der mathematischen Modellierung der Prozesse helfen.  „Wir müssen die gesamte Prozesskette im Auge behalten, denn nur wenn es keine Engpässe gibt, ist eine reibungslose Artemisinin-Produktion möglich“, so Professor Seidel-Morgenstern.

Vom Labor in den Industriemaßstab

Prinzipiell ist die Technik robust, so dass sie auch in Entwicklungsländern eingesetzt werden kann.  Um die Praxistauglichkeit im großtechnischen Maßstab zu erproben, hat Professor Seeberger 2012 das Start-up-Unternehmen ArtemiFlow GmbH gegründet. Es will mit finanzieller Unterstützung der Bill & Melinda Gates Stiftung  eine Testanlage im industriellen Maßstab aufbauen. Wenn die Testläufe erfolgreich verlaufen, sind Produktionsanlagen verschiedener Größe in vielen Teilen der Welt denkbar.

Autor: Uwe Seidenfaden

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