Heilpflanzen mit ihrem reichen Repertoire an anti-infektiven Substanzen waren seit jeher wichtige Helfer des Menschen im Überlebenskampf gegen Krankheitserreger und Parasiten. Die Suche nach pflanzlichen Wirkstoffen mit neuartigen Strukturen und Wirkprinzipien gehört daher bis heute zu den großen Herausforderungen der Naturstoffforschung. Wissenschaftler/innen der Universität Leipzig, des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) und des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) haben nun einen Weg aufgezeigt, wie diese Suche nach natürlichen Wirkstoffen anhand von Datenanalysen zu Verwandtschaft, Verbreitung und Inhaltsstoffen von Pflanzen erheblich erleichtert werden kann. Der von ihnen entworfene Ansatz ermöglicht Vorhersagen darüber, in welchen Pflanzengruppen und geografischen Gebieten eine besonders hohe Dichte an Arten mit heilenden Wirkstoffen zu erwarten ist. In derart modellierten Hotspots könnte die Suche nach neuen Medizinalpflanzen künftig gezielter erfolgen.

Über 70 Prozent aller zurzeit eingesetzten Antibiotika haben ihren Ursprung in natürlichen Substanzen, die man aus Pflanzen, Pilzen, Bakterien und marinen Organismen gewinnt. Im Kampf gegen Infektionskrankheiten ist der Mensch auf neue Wirkstoffe aus der Natur besonders angewiesen, da Krankheitserreger sich stets verändern und neue gefährliche Stämme hervorbringen. Dabei sind die natürlichen Ressourcen längst noch nicht ausgereizt. Allein im Pflanzenreich wurden bisher nur etwa zehn Prozent aller Gefäßpflanzen nach geeigneten Wirkstoffen durchsucht. Weltweit sind zurzeit etwa 250.000 Strukturen von pflanzlichen Substanzen (Sekundärmetaboliten) in wissenschaftlichen Datenbanken gespeichert; die Gesamtanzahl schätzt man auf 500.000. Ein systematisches Durchforsten des Pflanzenreichs fand bisher jedoch nicht statt; vielmehr erfolgte die Wirkstoffsuche vereinzelt, teils in Pflanzen mit bekannter Heilwirkung, teils in präferierten Arten oder geografischen Regionen oder auch abhängig von Art und Sensitivität der eingesetzten Nachweismethoden.

Das bisher gesammelte Wissen zu Heilpflanzen und ihren Wirkstoffen ist zudem nicht einheitlich dokumentiert; Pflanzen werden regional unterschiedlich benannt und die aus ihnen isolierten Metaboliten in der Fachliteratur mit verschiedenen Trivialnamen versehen. Einen ersten Schritt zur Sichtung, Sammlung und Vereinheitlichung dieses Wissens haben die Leipziger und Hallenser Wissenschaftler/innen nun getan. Dafür trugen sie exemplarisch zum Pflanzenbestand der Insel Java Informationen zu den bekannten Sekundärmetaboliten sowie zur Abstammungsgeschichte und Verbreitung der Pflanzen zusammen. Erfasst wurden rund 7500 Pflanzenarten, denen insgesamt 16.500 der in den Substanzdatenbanken notierten Metaboliten zugeordnet werden konnten. Knapp 2900 dieser Metaboliten waren nach aktuellem Wissensstand als Substanzen mit anti-infektiver Wirkung gegen Viren, Bakterien, Pilze oder Parasiten gelistet. Diese 2900 potentiellen Wirkstoffe werden von insgesamt 1600 der vorhandenen 7500 Arten produziert.

Bioaktive Wirkstoffe werden demnach nicht von allen Pflanzenarten gleichermaßen gebildet. „Vielmehr kommt es in einzelnen Pflanzenfamilien zu einer Häufung von – evolutionär meist nahe verwandten – wirkstoffproduzierenden Arten“, sagt Professorin Alexandra Müllner-Riehl vom Institut für Biologie der Universität Leipzig, die auch iDiv-Mitglied ist. Um diese wirkstoffreichen Pflanzengruppen besser eingrenzen zu können, haben die Wissenschaftler/innen die genetischen Daten und die Metaboliten-Daten analytisch vereint. Dadurch ließen sich jene Pflanzengruppen ermitteln, in denen anti-infektive Inhaltsstoffe signifikant gehäuft vorkommen, und solche, für die nur wenige anti-infektive Aktivitäten dokumentiert sind. „Mit Hilfe dieser Information lassen sich Pflanzengruppen, die wahrscheinlich anti-infektive Inhaltsstoffe besitzen, bisher aber noch nicht daraufhin untersucht wurden, gezielter identifizieren“, erklärt Dr. Jan Schnitzler (Universität Leipzig und iDiv). Gleichzeitig erlaubt die Studie, jene Arten zu finden, von denen bisher generell verhältnismäßig wenig über vorhandene Wirkstoffe berichtet wurde. Laut Professor Ludger Wessjohann vom IPB (auch iDiv-Mitglied) sollte man diese Arten bei der Wirkstoffsuche dennoch nicht unberücksichtigt lassen, „denn hier ist die Wahrscheinlichkeit hoch, Heilsubstanzen mit gänzlich unbekannten Strukturen zu finden“.

Der Ansatz erlaubt auch, erfolgversprechende wirkstoffreiche Regionen einzugrenzen. Demnach findet sich in den Bergregionen von Java die größte Vielfalt an Pflanzenarten und hier ist auch die höchste Dichte an Pflanzen mit anti-infektiven Wirkstoffen zu erwarten. Die Suche nach neuen Wirkstoffen wird daher in artenreichen Gebieten eher zum Erfolg führen, als in den weniger diversen und landwirtschaftlich genutzten Tiefebenen von Zentral- und West-Java. Mit den entsprechenden Anpassungen könne der Workflow problemlos auf andere geografische Gebiete oder andere Wirkstoffgruppen übertragen werden, betonen Wessjohann und Müllner-Riehl.

Die Studie wurde im Rahmen des BMBF-Projekts „BIOHEALTH – Pflanzliche Biodiversität Indonesiens und menschliche Gesundheit“ gefördert. Das Verbundprojekt mit Partnern aus deutschen und indonesischen Forschungseinrichtungen wird von der Universität Leipzig koordiniert.

Originalpublikation: 
Laura Holzmeyer, Anne-Kathrin Hartig, Katrin Franke, Wolfgang Brandt, Alexandra N. Muellner-Riehl, Ludger A. Wessjohann & Jan Schnitzler. Evaluation of plant sources for anti-infective lead compound discovery by correlating phylogenetic, spatial, and bioactivity data. PNAS, DOI:10.1073/pnas.1915277117