Golden Rice: Ein Mittel gegen Vitamin-A-Mangel
Karl-von-Frisch-Vortrag von Dr. AlBabili am 21.11.2005
Vitamin-A-Mangel (Vitamin A Deficiency, VAD) ist ein weitverbreitetes Ernährungsproblem, das 118 Länder. WHO-Schätzungen zufolge leiden 100 bis 140 Millionen Kinder unter VAD. VAD führt neben der Beeinträchtigung der Sehkraft zu einer erhöhten Anfälligkeit gegenüber Kinderkrankheiten wie Diarrhöe und Masern. Dieser Mangel tritt besonders in Ländern auf, in denen geschälter, Provitamin-A-freier (Carotin-freier) Reis das Hauptnahrungsmittel darstellt (linke Bildseite).
Es wurden verschiedene Strategien entwickelt, um diesem Problem zu begegnen. Eine moderne und vielversprechende Strategie stellt die Biofortifizierung dar. Biofortifizierung bedeutet, dass man die biosynthetischen Kapazitäten einer Pflanze ausnutzt, um ihren Gehalt an dem gewünschten Nährstoff zu steigern. Wir verfolgten diese Strategie und konnten mittels Gentechnik eine Reissorte produzieren, die in der Lage ist, ß-carotin (Provitamin A) im essbaren Teil vom Reiskorn (Endosperm) zu synthetisieren. Aufgrund der Farbe der erhaltenen Körner wurde dieser Reis als Golden Rice bezeichnet (rechte Bildseite). Die Anwendung von Gentechnik war hier notwendig, da keine Reisvarietät bekannt ist, die ß-Carotin im Endosperm enthält und die in klassische Züchtung eingesetzt werden kann.
Doch um die Entwicklung von Golden Rice nachvollziehen zu können, ist ein kleiner Ausflug in die Carotinoid-Biosynthese unentbehrlich. Carotinoide gehören der Stoffklasse der Isoprenoide an und werden durch Kondensationen einer C5-Einheit gebildet. Aus solchen C5-Einheiten wird das Carotin Phytoen gebildet. Um aus Phytoen Provitamin A herzustellen, werden drei pflanzliche Enzyme oder alternativ zwei bakterielle benötigt, die über das Carotin Lycopin (rote Farbe der Tomate!) ß-Carotin synthetisieren. Zwar werden Carotinoide in Reis gebildet, jedoch nicht im Endosperm. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass Reisendosperm die direkte Vorstufe von Phytoen beinhaltet. Dies bedeutet, dass für die Herstellung von ß-Carotin im Endosperm drei Enzyme eingeführt werden müssen: die Phytoen-Synthase, die aus der vorhandenen Vorstufe Phytoen synthetisiert; eine Deasturase, die Phytoen in Lycopin umwandelt und schließlich eine Lycopin-ß-Cyclase, die Lycopin zu ß-Carotin cylisiert.
Es wurden zwei Transformationen durchgeführt. In der ersten haben wir die Gene für die Phytoen-Synthase, die Lycopin-ß-Cyclase, beides aus der Narzisse, und die bakterielle Phytoen-Desaturase CrtI eingeschleust. Dieser Ansatz sollte zur Akkumulierung von ß-Carotin führen. In einem Kontrollexperiment haben wir nur die Gene für die Phytoen-Synthase und die bakterielle Phytoen-Desaturase CrtI transformiert. In diesem Fall war zu erwarten, dass das Endosperm die rote ß-Carotin-Vorstufe Lycopin akkumuliert. Die anschließenden Analysen zeigten jedoch, dass das Reisendosperm in beiden Fällen und wider Erwarten ß-Carotin sowie weitere Carotinoide (Xanthophylle) akkumulierte. Auf der einen Seite war dieses Resultat positiv, da wir an unserem Ziel waren. Auf der anderen Seite stellte sich natürlich die Frage, ob wir durch die Einführung des bakteriellen Gens unbeabsichtigte Effekte (z.B. eine Induktion der internen Lycopin-ß-Cyclase) verursacht haben. Um dies zu überprüfen, wurde die Expression der entsprechenden Gene im Endosperm vom Wildtyp und von verschiedenen transgenen Linien untersucht. Es zeigte sich, dass diese Gene bereits im Wildtyp-Endosperm exprimiert sind und dass die Einführung des CrtI-Gens nicht zu einer Dysregulation der Expression im Endosperm geführt hat.
Die Bildung von Xanthophyllen und ß-Carotin war eines der Argumente, die gegen das Projekt Golden Rice verwendet wurden. Mit der Klärung der Ursachen ist das Vorkommen dieser Carotinoide kein „unintended effect“ mehr. Das zweite Argument betrifft den Selektionsmarker. In den genannten Experimenten wurde ein Hygromycin-Resistenzgen zur Selektion transformierter Pflanzen eingesetzt. Deswegen haben wir in den darauffolgenden Golden Rice Generationen einen anderen Selektionsmarker verwendet, der keine Antibiotika-Resistenz verleiht. Ein weiterer kontroverser Punkt ist die im Golden Rice enthaltene Menge an ß-Carotin. Der Prototyp Golden Rice enthält in den besten Linien ca. 1,6 µg/g Gesamtcarotinoid. Diese Menge erscheint tatsächlich niedrig. Jedoch konnten unsere Kooperationspartner diese Menge um ungefähr das 23-fache steigern. Dieser sogenannte Golden Rice 2 verspricht ein effektives Mittel gegen VAD zu sein.
Das Projekt Golden Rice wurde anfänglich von der gemeinnützigen Rockefeller Foundation finanziert. Weitere Finanzierung war später erforderlich und wurde durch ein EU-Konsortium bereitgestellt. Im Gegensatz zu Projekten der Rockefeller Foundation sind EU-Projekte nicht gemeinnützig. In jedem Konsortium ist ein Industriepartner beteiligt, dem nicht exklusive Rechte auf die Resultate zustehen. In unserem Fall war der Industriepartner die Firma Astra Zeneca, die spätere Syngenta. Nun war unser Ziel, den Golden Rice an die Bauern in den betroffenen Gegenden und nicht an Syngenta weiterzugeben. Aus diesen komplizierten Verhältnissen heraus wurde ein Modell für eine Zusammenarbeit und für die Weitergabe entwickelt. Danach wird das Projekt auf zwei Schienen weitergeführt. Die Firma Syngenta verfügt über die Lizenz, den Golden Rice weiterzuentwickeln und kommerziell zu vermarkten. Für die gemeinnützige Schiene wurde ein Humanitirian Board gegründet, das neben den Erfindern aus Mitgliedern verschiedener internationaler Institute besteht. Das Humanitirian Board gibt den Golden Rice ohne Lizenzgebühren an jeden Bauern in den betroffenen Regionen, dessen Gesamtertrag eine Grenze von 10000 $ nicht übersteigt. Ein hervorragendes Resultat dieser Private-Public-Partnership ist die Entwicklung von Golden Rice 2, die von Mitarbeitern der Firma Syngenta erzielt wurde.
Das Prinzip der Biofortifizierung wird inzwischen auf weitere Nutzpflanzen angewandt. Dies erfolgt im Rahmen des internationalen Harvest-Plus-Programms.
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