Neue Forschungsergebnisse könnten dazu beitragen, die Ernährungslücke zwischen Säuglingsnahrung und menschlicher Muttermilch zu schließen. Die Studie zeigt, wie Pflanzen so programmiert werden können, dass sie ein breites Spektrum an nützlichen Zuckern produzieren, die auch in der menschlichen Muttermilch vorkommen. Die Ergebnisse könnten zu einer gesünderen und erschwinglicheren Säuglingsnahrung oder zu einer nahrhafteren milchfreien Pflanzenmilch für Erwachsene führen.
Ein bedeutender Schritt in Richtung besserer Säuglingsnahrung
Weltweit nimmt die Mehrheit der Säuglinge – etwa 75% – in den ersten sechs Lebensmonaten Säuglingsnahrung zu sich, entweder als alleinige Nahrungsquelle oder als Ergänzung zum Stillen. Säuglingsnahrung ist zwar eine wichtige Nahrung für heranwachsende Babys, kann aber derzeit nicht das vollständige Nährstoffprofil der Muttermilch nachahmen. Das liegt zum Teil daran, dass die menschliche Muttermilch eine einzigartige Mischung aus etwa 200 präbiotischen Zuckermolekülen enthält, die zur Vorbeugung von Krankheiten beitragen und das Wachstum gesunder Darmbakterien fördern. Die meisten dieser Zucker sind jedoch schwierig, wenn nicht gar unmöglich, herzustellen.
Neue Forschungsarbeiten unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of California, Berkeley, und der University of California, Davis, zeigen, wie gentechnisch veränderte Pflanzen dazu beitragen können, diese Lücke zu schließen. In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Nature Food veröffentlicht wurde, programmierte das Studienteam die Zuckerproduktionsmaschinen der Pflanzen so um, dass sie eine Vielzahl dieser Milchzucker, auch Oligosaccharide genannt, produzieren. Die Ergebnisse könnten zu einer gesünderen und erschwinglicheren Säuglingsnahrung oder zu einer nahrhafteren milchfreien Pflanzenmilch für Erwachsene führen.
Der Hauptautor der Studie, Patrick Shih, Assistenzprofessor für Pflanzen- und Mikrobenbiologie und Forscher am Innovative Genomics Institute der UC Berkeley erklärt, dass Pflanzen phänomenale Organismen sind, die Sonnenlicht und Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnehmen und daraus Zucker herstellen. Und sie stellen nicht nur einen Zucker her, sondern eine ganze Reihe von einfachen und komplexen Zuckern. Wir dachten uns, da Pflanzen bereits über diesen zugrunde liegenden Zuckerstoffwechsel verfügen, warum versuchen wir nicht, ihn umzuleiten, um Oligosaccharide für die menschliche Milch herzustellen?“
Pflanzen, die 11 bekannte menschliche Milch-Oligosaccharide produzieren
Alle komplexen Zucker – einschließlich der Oligosaccharide der menschlichen Milch – werden aus Bausteinen einfacher Zucker, den so genannten Monosacchariden, hergestellt, die miteinander verbunden werden können, um eine Vielzahl von Ketten und verzweigten Ketten zu bilden. Was die Oligosaccharide der menschlichen Milch so einzigartig macht, sind die spezifischen Verknüpfungen oder Regeln für die Verbindung von Einfachzuckern, die in diesen Molekülen zu finden sind. Um Pflanzen davon zu überzeugen, Oligosaccharide aus menschlicher Milch herzustellen, hat der Erstautor der Studie, Collin Barnum, die Gene für die Enzyme, die diese spezifischen Verknüpfungen herstellen, manipuliert. In Zusammenarbeit mit Daniela Barile, David Mills und Carlito Lebrilla von der UC Davis schleuste er die Gene dann in die Pflanze Nicotiana benthamiana ein, eine enge Verwandte des Tabaks. Die gentechnisch veränderten Pflanzen produzierten 11 bekannte menschliche Milch-Oligosaccharide sowie eine Vielzahl anderer komplexer Zucker mit ähnlichen Verknüpfungsmustern.Die Forscher haben alle drei Hauptgruppen der Oligosaccharide der menschlichen Milch hergestellt.
Barnum arbeitete dann an der Schaffung einer stabilen Linie von N. benthamiana-Pflanzen , die für die Produktion eines einzigen Oligosaccharids aus Humanmilch namens LNFP1 optimiert wurden. LNFP1 ist ein fünf Monosaccharide langes Oligosaccharid aus menschlicher Milch, das sehr vorteilhaft sein soll, aber bisher mit herkömmlichen Methoden der mikrobiellen Fermentation nicht in großem Maßstab hergestellt werden kann.
Derzeit kann eine kleine Handvoll Oligosaccharide aus Humanmilch mit Hilfe von gentechnisch veränderten E. coli-Bakterien hergestellt werden. Die Isolierung der nützlichen Moleküle aus anderen toxischen Nebenprodukten ist jedoch ein kostspieliger Prozess, und nur eine begrenzte Anzahl von Säuglingsnahrungen enthält diese Zucker in ihren Mischungen. Im Rahmen der Studie schätzten Shih und Barnum gemeinsam mit Minliang Yang von der North Carolina State University die Kosten für die Herstellung von Oligosacchariden aus Pflanzen in industriellem Maßstab und stellten fest, dass dies wahrscheinlich billiger wäre als die Verwendung mikrobieller Plattformen.
„Stellen Sie sich vor, Sie könnten alle Oligosaccharide der menschlichen Milch in einer einzigen Pflanze herstellen. Dann könnte man diese Pflanze einfach zerkleinern, alle Oligosaccharide gleichzeitig extrahieren und sie direkt in die Säuglingsnahrung geben“, so Shih. „Es gäbe viele Herausforderungen bei der Umsetzung und Kommerzialisierung, aber das ist das große Ziel, auf das wir hinarbeiten wollen.“
