DE60010502T2 - Verfahren zum erzeugen von metaboliten aus pflanzen in erdloser kultur - Google Patents

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Institut Nationale Polytechnique de Lorraine
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches oder halbkontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Metaboliten aus Pflanzen in erdloser Kultur, ohne daß die Lebensfähigkeit der Pflanzen verlorengeht, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
  • Pflanzen produzieren eine Vielzahl von Molekülen, die als Medikamente, Farbstoffe, Aromen, Nahrungszusätze oder Pestizide verwendet werden. Diese Verbindungen sind oft typisch für eine Familie einer bestimmten Pflanzenart oder -spezies. Man rechnet sie zu den sekundären Metaboliten, da sie für das Überleben nichtgestreßter Pflanzen nicht unbedingt unentbehrlich zu sein scheinen (Bentley, 1999, Bourgaud et al., 1999, Gontier, 1993). Viele dieser Moleküle pflanzlichen Ursprungs dienen oder dienten als Modelle für chemische Synthesen im Hinblick auf eine kommerzielle Nutzung.. Bisweilen sind die Moleküle komplex, und die Extraktion aus wilden Pflanzen bzw. aus Pflanzen, die im Feld oder in vitro kultiviert werden, bleibt die beste Art der Versorgung (Herman 1993).
  • Besonders für Moleküle mit hohem wirtschaftlichen Wert (Kilogramm- und Volumenpreis am Markt) wurden Zell- oder Gewebekulturen in Bioreaktoren entwickelt (Herman, 1993). In diesem Falle müssen die Kulturen axenisch sein, d.h., frei von Mikroorganismen (Bakterien und Pilze), deren Gegenwart für das Wachstum des pflanzlichen Materials und für die Produktion von Metaboliten aus dem letzteren nachteilig sein konnte. Das Aufrechterhalten axenischer Bedingungen ist mit der Zeit bisweilen schwierig und führt zu erheblichen finanziellen Belastungen (Gontier, 1993). Durch den Einsatz von verfeinerten Systemen für in vitro-Kulturen (Fermenter) kommen bisweilen inakzeptable Kosten hinzu, die das System wirtschaftlich nichttragfähig machen. Im allge meinen ist die Erzeugung von Biomasse in vitro kostspielig. Um das System rentabel zu machen, wird versucht, das Maximum an Molekülen von dieser Biomasse produzieren zu lassen, ohne sie zu zerstören, und sie maximal als Biokatalysator wiederzuverwenden (Herman, 1993).
  • Die Stimulierung der Produktion kann erreicht werden durch Zugabe von Vorläufern in das Kulturmedium (Boitel et al., 1997), durch reversible Permeabilisierung der Biomasse oder durch physikalischen Streß (Erhöhung der Temperatur, Änderung des pH, Verletzung), chemischen Streß (Zugabe der Salze CuSO4, NaCl, CaCl2, (NH4)2SO4 etc. oder von anderen Permeabilisierungsmitteln, EDTA, DMSO, Tween 20, anderen Tensiden oder Detergentien etc.) oder biochemischen Streß (Elicitation etc.) etc. (Boitel et al., 1995–1997; Weather et al., 1991; Herman, 1999; Mukundan et al., 1998).
  • Ziel dieser Manipulationen ist es, den Gang der Biosynthese durch Erhöhen des gesamten Stroms der Vorläufer hin zum gesuchten Molekül zu forcieren. Zahlreiche Veröffentlichungen berichten äußerst positive Ergebnisse, die auf diesen verschiedenen Wegen erhalten wurden (darunter: Boitel et al., 1995–1997; Weather et al., 1991; Herman, 1993). Trotzdem bleibt das Problem des axenischen Charakters der Kulturen völlig offen.
  • Andere Autoren beschreiben die Verwendung fungizider und antibiotischer Cocktails, mit denen das Überleben des pflanzlichen Materials unter nichtaxenischen Bedingungen sichergestellt werden kann ("Plant Preservative Mixture", üblicherweise als PPM® bezeichnet). In diesem Falle ist es schwierig, die Mikrobenhemmer so zu dosieren, daß nur die Bakterien und Pilze angegriffen werden, und dies ohne abträgliche Wirkung auf die pflanzliche Biomasse.
  • Eine interessante Alternative zur in vitro-Kultur ist die Herstellung von Molekülen aus Pflanzen, die in der Natur geerntet oder auf Feldern angebaut werden. Das Abernten in der Natur kann jedoch bei übermäßiger Ausbeutung zum Verschwinden von Spezies führen (Gontier, 1993). Auch kann es mit erheblichen qualitativen und quantitativen Veränderungen in der Herstellung verbunden sein. Die Kultivierung auf dem Feld ist nicht immer realisierbar, da man die Pflanze nicht gut genug kennt, oder – was noch schwerwiegender ist – weil es unmöglich ist, wieder zu mittelfristigen Investitionen zurückzukehren. Dies ist häufig der Fall bei Holzgewächsen, z.B. bei der Eibe (Chen und Chen, 1997; Ketchum et al., 1999), die langsam wachsen und deren Wachstum sich über Jahrzehnte hinzieht.
  • Seit einigen Jahren gab es bei diesen erdlosen Kulturen (Morard, 1995; Toda et al., 1999) im Gewächshaus oder im Freien eine Entwicklung, und sie ermöglichen nunmehr die Kultivierung von Zier- oder Gemüsepflanzen mit höherem Rentabilitätsgrad. Innerhalb von etwa fünfzehn Jahren gab es bei diesen Techniken hinsichtlich der Vorrichtungen, Nährlösungen sowie der Steuerung und Automatisierung dieser Systeme glänzende Fortschritte (Morard, 1995). Bis heute wurde kein Versuch zur Herstellung von sekundären Metaboliten aus solchen Kulturen unternommen, nicht einmal vorgeschlagen, insbesondere zur Gewinnung von Metaboliten, die natürlich oder nicht natürlich von den Wurzeln der Pflanzen oder den oberirdischen Teilen ausgeschieden werden. Insbesondere findet sich im Stand der Technik absolut kein Hinweis, auch kein Vorschlag, daß es a priori möglich ist, solche Metaboliten zu gewinnen, ohne daß diese von der in den erdlosen Kulturen vorhandenen Mikroflora abgebaut werden.
  • Es ist gegenwärtig also nicht bekannt:
    • – ob die Pflanzen allgemein sekundäre Metaboliten aus ihren Wurzeln oder Blättern in einer Weise ausscheiden, daß diese Erscheinung für eine industrielle Anwendung genutzt werden kann;
    • – ob es möglich ist, die natürliche oder nicht natürliche Ausscheidung dieser sekundären Metaboliten bei Kulturpflanzen insbesondere in erdloser Kultur zu steigern;
    • – ob eine Behandlung, die die Synthese und Ausscheidung dieser sekundären Metaboliten bei der Pflanze begünstigt, das Überleben dieser Pflanze in einer Weise beeinflußt, daß eine industrielle Anwendung nicht in Betracht kommt;
    • – ob die Metaboliten durch die Mikroflora, die sich um die so kultivierten Pflanzen entwickeln kann, in erheblichem Ausmaß abgebaut werden oder nicht.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zur Erzeugung von Molekülen aus Pflanzen, das keine axenischen oder sterilen Bedingungen erfordert, die Herstellung erheblicher Mengen erlaubt, wirtschaftlich rentabel ist und nicht zur Zerstörung, auch nicht zur teilweisen Zerstörung der Pflanzen bei der Extraktion der gesuchten Moleküle führt.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von Molekülen aus Pflanzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Pflanzen unter erdlosen Bedingungen kultiviert und mit einer Nährlösung versorgt und/oder mit einer Waschflüssigkeit besprüht werden, wobei die Lösung und/oder die Flüssigkeit anschließend wiedergewonnen und behandelt wird, um daraus einige bestimmte, darin enthaltene Moleküle zu extrahieren, die von den Wurzeln und/oder den oberirdischen Teilen der Pflanzen abgegeben werden.
  • Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung kann das Verfahren im einzelnen in der Durchführung der folgenden Schritte bestehen:
    • a) Initiierung der Pflanzenkultur unter erdlosen Bedingungen, so daß die Pflanzen wachsen und sich entwickeln können und Biomasse in ausreichender Menge erhalten werden kann, um das Verfahren rentabel zu machen;
    • b) Gewinnung der Metaboliten, die von den Wurzeln oder den oberirdischen Teilen der Pflanze abgegeben werden, mit Hilfe einer Flüssigkeit, die durch Perkolieren oder Eintauchen mit den Wurzeln oder durch Besprühen mit den Blättern der Pflanzen in Kontakt gebracht wird;
    • c) Auffangen der gebrauchten bzw. beladenen Lösung in Form eines Perkolats (bei den Wurzeln) oder einer Auswaschflüssigkeit (bei den Blättern) und Isolierung der gesuchten, in dieser Lösung enthaltenen Moleküle durch Flüssig/flüssig-Extraktion, Flüssig/fest-Extraktion, Umkristallisieren, Sublimieren oder durch Verdampfen des Wassers.
  • Das Verfahren kann auch einen zusätzlichen Schritt der erzwungenen Permeabilisierung der wurzeln oder der oberirdischen Teile der Pflanzen mit einer Lösung umfassen, die insbesondere Salze, Tenside, Detergentien, Lösungsmittel, Elicitoren aus Pilzen oder Bakterien, Derivate der Jasmonsäure oder andere Substanzen enthält, die die natürliche Abwehr der Pflanzen in einer Weise stimulieren, daß sich der Stoffstrom aus den Wurzeln oder Blättern in die Nährlösung bzw. in die Waschflüssigkeit deutlich erhöht, ohne daß die Lebensfähigkeit der Pflanzen völlig verlorengeht, so daß sie direkt wiederverwendet werden können oder nach einer Phase des Spülens und Rücksetzens in Kulturbedingungen, die zumindest die Wiederherstellung eines guten physiologischen Zustandes der Pflanzen ermöglichen.
  • Demzufolge umfaßt das Verfahren die folgenden Schritte a) bis e)
    • a) Initiierung der Pflanzenkultur unter erdlosen Bedingungen, so daß die Pflanzen wachsen und sich entwickeln können und Biomasse in ausreichender Menge erhalten werden kann, um das Verfahren rentabel zu machen. Die Gewinnung dieser ausreichender Menge Biomasse, insbesondere aus den Wurzeln, kann durch eine genetische Transformation mittels Agrobacterium rhizogenes unterstützt werden (Hooykaas und Schilperoort, 1992);
    • b) Permeabilisierung der Wurzel- oder oberirdischen Teile der Pflanzen mittels chemischer (Salze, Tenside, Detergentien, Lösungsmittel) physikalischer (Erhöhung der Temperatur) oder biochemischer Behandlung (Elicitor aus Pilzen oder anderen Ursprungs). Bei der biochemischen oder chemischen Behandlung kann diese Permeabilisierung aus der Nährlösung für die Pflanzen oder durch Besprühen der oberirdischen Teile erfolgen;
    • c) Gewinnung der Metaboliten, die von den Wurzeln oder den oberirdischen Teilen der Pflanzen abgegeben werden, indem die Pflanzen mit einer Flüssigkeit in Kontakt gebracht werden;
    • d) Rückgewinnung der gebrauchten Nährlösung oder der beladenen Sprühflüssigkeit (im folgenden anders bezeichnet als: Perkolat bei Permeabilisierung der Wurzeln und Auswaschflüssigkeit bei Permeabilisierung der oberirdischen Teile) und Isolierung der gesuchten Moleküle, die in dieser Lösung (Perkolat oder Auswaschflüssigkeit) enthalten sind, durch Verdampfen des Wassers oder Flüssig/flüssig-Extraktion (Nährlösung und wasserunlösliches Lösungsmittel), Flüssig/fest-Extraktion (Nährlösung und adsorbierender hydrophiler, hydrophober, anionischer, kationischer oder anderer Träger, der jedoch eine starke Affinität zu den gesuchten Metaboliten aufweist) oder durch Umkristallisieren;
    • e) Spülung des Wurzelsystems und/oder der oberirdischen Teile der Pflanzen, anschließend Rücksetzen in Wachstumsbedingungen über einen hinreichenden Zeitraum, um die Durchführung einer erneuten Behandlung zu ermöglichen.
  • In einer Variante der sequentiellen Abfolge der Schritte der Permeabilisierung, Rückgewinnung und des Rücksetzens in die vorstehend erwähnten Bedingungen, deren Kreisführung in mehreren, sich wiederholenden Zyklen eine effiziente Nutzung der Pflanzen gestattet, kann es auch vorgesehen sein, daß die erzwungene Permeabilisierung permanent erfolgt, indem eine permeabilisierende Lösung zur Nährlösung gegeben wird, die den Pflanzen kontinuierlich oder in regelmäßigen Abständen zugeführt wird.
  • In diesem letzteren Fall können die Schritte des Rücksetzens in die Bedingungen für die Pflanzen komplett weggelassen werden, indem geringere Dosen an permeabilisierenden Substanzen gewählt und Substanzen ausgewählt werden, die weniger aggressiv oder streßbildend für die Pflanzen sind oder zumindest in größeren Abständen gegeben werden.
  • Nach dem Schritt der Permeabilisierung oder einer längeren Phase der Permeabilisierung erfolgt eine Spülung des Wurzelsystems und/oder der oberirdischen Teile der Pflanzen, anschließend das Rücksetzen in Wachstumsbedingungen für die Pflanzen über einen hinreichenden Zeitraum, um die Durchführung einer erneuten Behandlung mit erzwungener Permeabilisierung zu ermöglichen, gefolgt oder begleitet von einem Schritt der Gewinnung der gesuchten Moleküle.
  • In vorteilhafter Weise kann auch vorgesehen sein, die Biosynthesekapazität der Pflanze und ihr Potential zur Ausscheidung von Metaboliten in die Lösung durch eine physikalische Behandlung zu verstärken, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Erhöhung der Temperatur, ergänzender oder längerer Bestrahlung mit Licht, Erhöhung des CO2-Gehalts in der mit der Pflanze in Kontakt stehenden Atmosphäre sowie Kombinationen aus mehreren dieser physikalischen Behandlungen.
  • Um das erfindungsgemäße Verfahren noch rentabler zu machen, kann die Produktion und Ausscheidung der von den Pflanzen synthetisierten Metaboliten zum einen durch eine Neusynthese dieser Moleküle nach Bereitstellung von Vorläufern dieser Metaboliten verstärkt werden, wobei diese Vorläufer bei der Biosynthese der Metaboliten der Pflanze mit der Nährlösung an den Wurzeln zugeführt werden oder durch Besprühen der oberirdischen Teile in Mischung mit Tensiden, um Eindringen in die Blätter zu erreichen, und zum andern durch Steigern der Photosyntheseaktivität mittels künstlicher Beleuchtung über eine Zeitdauer, die länger ist als die, an die die Pflanze gewöhnt ist.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden die gesuchten Metaboliten an den Wurzeln der Pflanzen freigesetzt und aus der gebrauchten Nährlösung gewonnen.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung werden die gesuchten Metaboliten aus den oberirdischen Teilen der Pflanzen durch Bespritzen oder Besprühen der Pflanzen mit einer geeigneten Lösung oder Flüssigkeit erhalten, die vorzugsweise Tenside, oberflächenaktive Mittel und/oder Detergentien enthält, wobei die beladene Spritz- oder Sprühlösung für sich oder in Mischung mit der Nährlösung zur Extraktion und Reinigung der gesuchten Moleküle wiedergewonnen wird.
  • Es ist bevorzugt, daß die verwendeten Pflanzen ausgewählt sind aus der Gruppe der höheren Pflanzen oder Gefäßpflanzen, die in der Lage sind, wirtschaftlich interessante Metaboliten in großer Menge zu synthetisieren, und daß die gesuchten Moleküle sekundären Metaboliten entsprechen, die natürlicherweise von diesen Pflanzen produziert werden.
  • Die gewonnenen und isolierten Metaboliten sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkaloiden vom Tropan- und Indol-Typ, gegen Krebs wirksamen Verbindungen, Taxanen oder Taxol-Derivaten, Furocumarinen, Terpenen, Glycosiden, Phenylpropan-Verbindungen, Saponinen und Steroiden und allgemeiner aus Substanzen, die für die Mikroorganismen, die möglicherweise in der Umgebung dieser Pflanzen vorhanden sind, nicht assimilierbar oder toxisch sind.
  • Entsprechend einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung können die Pflanzen genetisch verändert sein, um sie mehr Metaboliten produzieren zu lassen oder ihre Morphologie zu verändern, beispielsweise durch Erhöhen ihrer Wurzelbiomasse nach genetischer Transformation mit Agrobacterium rhizogenes.
  • Die Erfindung läßt sich besser verstehen anhand der nachstehenden Beschreibung, in der auf bevorzugte Ausführungsformen Bezug genommen wird, die beispielhaft und nicht einschränkend sein sollen und anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erklärt werden, in denen die 1 bis 8 schematisch verschiedene Möglichkeiten der Durchführung in Verbindung mit verschiedenen Hilfsmitteln und praktischen Vorrichtungen darstellen.
  • So zeigt 1 das System, das für das nachstehend beschriebene Beispiel 1 verwendet wird. Die Pflanzen 1 (Datura) werden in Glastöpfen 2 kultiviert, die mit Nährlösung 3 gefüllt sind. Der Stengel der Pflanzen 1 ist am Deckel 2' der Töpfe befestigt, in den vorher drei Löchern gebohrt wurden. Eine Öffnung 4 dient zur Rückstellung des Niveaus der Nährlösung und die andere ermöglicht den Durchgang eines Lufteinlaßrohrs 5, mit dem gute Sauerstoffversorgung der Nährlösung für die Pflanzen durch Einperlen (Blasen 6) aufrechterhalten werden kann.
  • 2 zeigt die Vorrichtung, die zur Kultivierung von Eiben verwendet wird, wie nachstehend in der Beschreibung in Beispiel 2 beschrieben ist. In diesem Fall befinden sich die Pflanzen 1 am Grund eines mit Nährlösung 3 gefüllten Behälters 2 aus PVC (Polyvinylchlorid), und durch Einperlen von Luft wird die Sauerstoffversorgung der Nährlösung sichergestellt (Blasen 6).
  • 3 beschreibt die Vorrichtung, die zur Durchführung der nachstehend in Beispiel 4 beschriebenen Arbeiten verwendet wird. Die Pflanzen 1 (Datura) werden auf durchbohrte Platten 7 gesetzt, die auf einen Kulturbehälter 2 aus PVC aufgelegt sind. Die Nährlösung wird mit Hilfe programmierbarer Zerstäuber 9 in regelmäßigen Abständen in Form eines Nebels 8 auf die Wurzeln gestäubt.
  • Die 4 bis 7 zeigen verschiedene Kulturvorrichtungen, die für die Herstellung von Metaboliten aus Pflanzen brauchbar sind.
  • Im einzelnen zeigen die 4A und 4B Kulturvorrichtungen, in denen die Nährlösung 3 mit Hilfe von Kapillaren an die Pflanzen 1 gebracht wird. Sobald sie mit den Wurzeln der Pflanzen in Kontakt gekommen ist, wird die gebrauchte Nährlösung 3, auch als Perkolat bezeichnet, abgeleitet und dann in den Kreislauf zurückgeführt. In diesem Falle können die Pflanzen mit oder ohne Substrat 2" kultiviert werden. Dieses Substrat kann von verschiedenartiger Beschaffenheit sein wie z.B. Steinwolle, Sand, Perlit, Vermiculit, wiederaufbereitete Erde oder von irgendeiner anderen Beschaffenheit, die gegenwärtig für erdlose Kulturen genutzt wird.
  • Die Pflanzen 1 können auch nach dem NFT-Verfahren (Nutrient Film Technique) kultiviert werden. In diesem Falle wird die Nährlösung 3 durch Berieselung (5) auf einer Rinne oder einem ebenen, leicht geneigten Träger 10 an die Wurzeln der Pflanzen 1 gebracht. Die Rückgewinnung der gebrauchten Nährlösung 3' erfolgt am Ende der Rinne 10, und diese Lösung kann mit oder ohne Gewinnung der darin enthaltenen Metaboliten in den Kreislauf zurückgeführt werden.
  • Die 6A und 6B beschreiben erdlose Kultursysteme, bei denen die Wurzelsysteme der Pflanzen 1 in eine Nährlösung eingetaucht werden. Zufuhr der Nährlösung 3 und Abfluß der gebrauchten Nährlösung 3' können permanent (kontinuierliches System) oder nicht permanent sein (diskontinuierliches System). Das Eintauchen des Wurzelsystems kann ebenfalls permanent (6A) mit Einperlen von Luft in diese Nährlösung oder temporär erfolgen (6B). Im zweiten Fall kann der Ablauf in einen hermetischen, tieferliegenden Behälter 11 erfolgen. Die Überführung dieser Flüssigkeit kann dann mit einer Pumpe oder einem Kompressor 12 erfolgen, die/der die in dem hermetischen Behälter 11 enthaltene Lösung gegebenenfalls nach Ergänzung mit zusätzlichen Substanzen in den Kulturbehälter 2 pumpt.
  • 7 beschreibt eine Kulturvorrichtung vom Aeroponik-Typ, bei der die Wurzeln der Pflanzen regelmäßig mit Nährlösung 3 in Form eines Nebels 8 besprengt werden. Letzterer wird mit Hilfe von Zerstäubern 9 erhalten, die im Innern des Kulturbehälters 2 angeordnet sind. Die gebrauchte Nährlösung 3' kann am unteren Teil abgelassen werden.
  • 8 zeigt schematisch eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Metaboliten in großem Maßstab, gegebenenfalls automatisch oder halbautomatisch.
  • Wie in obenerwähnter 8 gezeigt, ist die Anlage im wesentlichen aufgebaut aus einerseits mehreren Behältern 2 für die erdlose Kultur der Pflanzen 1, enthaltend einen inerten Kulturträger bzw. ein solches Substrat 2" oder nicht, und zum anderen einer Vorrichtung zur Lagerung und Bereitstellung von Nährlösung 3 für die Pflanzen 1, umfassend einen Tank 13 und eine Versorgungsleitung 13', die mit einem Leitungsnetz 13" verbunden ist, das die Lösung 3 kontrolliert zur Unterlage der Pflanzen 1 bringt, sowie einer Vorrichtung zur Abgabe der Permeabilisierungslösung und/oder der Waschflüssigkeit, umfassend insbesondere einen Misch- und Vorratstank 14 für die Permeabilisierungslösung und/oder einen Tank 14' für die Waschflüssigkeit, der/die mit Versorgungsleitungen 14" zum Besprühen und/oder Einspritzen verbunden ist/sind, und schließlich einer Gruppe aus Einrichtungen 15, 15', 15", 16 zur Wiedergewinnung, Behandlung und Rückführung zumindest der gebrauchten Nährlösung 3'.
  • Die Einrichtungen für die Wiedergewinnung, Behandlung und Rückführung bestehen vorteilhaft aus einem Bottich zur Zwischenlagerung 15, in dem die gebrauchte Nährlösung 3' aufgefangen wird, die durch Entleerung der Behälter 2 für die erdlose Kultur abgeführt wird, und der mit einer direkten Rückführungsleitung 15' und einer zweiten Rückführungsleitung 15", umfassend eine Einheit 16 zur Trennung oder Extraktion der gesuchten Metaboliten, zu einer Reinjektionsschleife zum Vorratstank 13 für die Nährlösung 3 verbunden ist, wobei letzterer über eine Einspritzleitung 13"' auch mit zusätzlichen Nährstoffen versorgt wird, die in geeigneten Tanks 13"" gelagert werden, um so die Mengen derjenigen Substanzen auszugleichen, die von den Pflanzen 1 aufgenommen wurden.
  • Zur Erhöhung der Produktivität der Anlage kann diese auch eine Vorrichtung zur Abgabe von Lösung(en) des/der Vorläu fer(s) der von den Pflanzen zu synthetisierenden Metaboliten und/oder von Substanzen umfassen, die die Synthese der Metaboliten stimulieren, umfassend einen Vorratstank 1–7 und eine Versorgungsleitung 17', die gleichzeitig mit der Versorgungsleitung 13' bzw, mit dem Leitungsnetz 13" verbunden ist, durch die die Versorgung mit Nährlösung 3 erfolgt, sowie mit Einrichtungen 18 zur Abgabe durch Besprühen der Pflanzen 1 an ihren oberirdischen Teilen, sowie die Vorrichtung 14, 14', 14" zur Abgabe von Permeabilisierungslösung und/oder Waschflüssigkeit.
  • Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung, das ebenfalls in 8 dargestellt ist, kann die Anlage zum einen auch Einrichtungen 19', 19" zur Beheizung der Pflanzen 1 und/oder ihrer Behälter 2 umfassen, beispielsweise in Form eines Netzes paralleler und beabstandeter Leitungen, durch die eine Wärmetauscherflüssigkeit strömt und die oberhalb und/oder unterhalb der Behälter 2 verlaufen, sowie zum anderen Einrichtungen 20 zur künstlichen Beleuchtung oder Bestrahlung der Pflanzen 1.
  • Die Funktionsweise der in 8 dargestellten Anlage soll im folgenden ausführlicher beschrieben werden.
  • Die Nährlösung 3 wird in einem ersten Tank 13 vorbereitet und gelagert. Sie wird anschließend mit einem System immer kleinerer Rohrleitungen, die ein Leitungsnetz 13" bilden, an die Basis der Pflanzen 1 geführt. Die Pflanzen befinden sich in erdloser Kultur, gegebenenfalls auf einem inerten Träger 2". Die gebrauchte Nährlösung 3' läuft auf einen vorzugsweise geneigten Träger, der gegebenenfalls den Boden des entsprechenden Behälters 2 bildet, wobei dieses Ablaufen permanent, zyklisch oder gelegentlich erfolgt. Das Wasser dieses Ablaufs wird im Lagerbottich 15 aufgefangen. Es wird anschließend direkt in den Kreislauf zurückgeführt, oder die darin enthaltenen Moleküle werden vor der Rückfüh rung in den Kreislauf mit Hilfe der Einheit 16 extrahiert und gereinigt. Ein erster fakultativer Zusatzbehälter 14 und gegebenenfalls ein zweiter Zusatzbehälter 14' enthält bzw. enthalten Permeabilisierungsmittel, Vorläufer oder andere Verbindungen, die die Produktion von Metaboliten bei den Pflanzen stimulieren. Diese Stoffe, die mit der Nährlösung gemischt werden oder nicht, werden mit den Pflanzen 1 an den Wurzeln durch Perkolation (Einspritzen in die Nährlösung 3) oder an den Blättern durch Besprühen in Kontakt gebracht. Die Pflanzen werden natürlich oder künstlich beleuchtet. Die oberirdischen Teile und die Wurzelteile der Pflanzen können mit Hilfe von Wärmetauscherflüssigkeiten, die in der die Netze 19', 19" bildenden Anordnung von Rohrleitungen zirkulieren, oder anderen, gleichwertigen Hilfsmitteln beheizt oder gekühlt werden.
  • In Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsvarianten der Erfindung und insbesondere mit der in 8 dargestellten Ausführungsform besteht das Verfahren vorteilhaft aus drei Hauptschritten, nämlich einem ersten Schritt der Kultivierung mit dem Ziel, Biomasse in ausreichender Menge zu erhalten, einem zweiten Schritt, der die Freisetzung von Metaboliten durch die Pflanzen entweder an ihren Wurzelteilen oder an ihren oberirdischen Teilen begünstigt, und einen dritten Schritt mit dem Ziel, den Zustand der Pflanzen wiederherzustellen, ehe der erste oder der zweite Schritt erneut durchlaufen wird (Wiederholung der Zyklen).
  • Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren und ein System, womit die Gewinnung von Metaboliten möglich ist, die natürlich (Permeabilisierung nicht unentbehrlich) oder nicht natürlich von der Pflanze freigesetzt werden (Permeabilisierung unentbehrlich), die unter erdlosen Bedingungen (Definition von Morard, 1995) mit oder ohne inerten Träger kultiviert wird (unter erdloser Kultur sind alle Kulturformen außer der Kultur in Vollerde auf Feldern oder in der Natur zu verstehen). Diese Pflanze kann kultiviert werden durch Besprengen mit einer geeigneten Nährlösung [erdlose Kultur auf porösem Träger, auf Kaskade (NFT-Verfahren nach Morard, 1995)], durch permanentes Eintauchen in Nährlösung mit Einperlen von Luft (Hydrokultur nach Morard, 1995) oder temporäres Eintauchen in die Nährlösung (Bewässerung von unten, Hydroponik, Nährfilm) oder durch Inkontaktbringen mit der Nährlösung in Form eines Nebels (Aeroponik nach Morard, 1995).
  • Werden die Metaboliten von den Wurzeln der Pflanze freigesetzt, so sind sie in der Nährlösung (Perkolat) enthalten und werden folglich durch Abfangen entweder in einem mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittel oder auf einem die Moleküle adsorbierenden Träger oder auch durch Verdampfen oder Sublimieren des Wassers der Nährlösung gewonnen. Diese verschiedenen Arbeitsweisen können gegebenenfalls kombiniert werden.
  • Werden die Metaboliten von den oberirdischen Teilen der Pflanze – mit oder ohne Permeabilisierung – freigesetzt, so werden sie durch Bespritzen der Pflanzen gewonnen, wobei die Spritzlösung (Auswaschflüssigkeit) – wie vorstehend für das Perkolat angegeben – aufgefangen und die darin enthaltenen Metaboliten extrahiert werden.
  • In allen Fällen kann das Wasser, die gebrauchte Nährlösung oder die beladene Auswaschflüssigkeit nach Wiederherstellung der für das Wachstum und den sekundären Metabolismus der Pflanze notwendigen mineralischen und organischen Komponenten zur Kultivierung der Pflanzen wiederverwendet werden. Wurde eine Permeabilisierungsbehandlung durchgeführt, so kann es notwendig sein, die gebrauchte Lösung (Perkolat oder Auswaschflüssigkeit) vor der Wiederverwendung für eine neue Permeabilisierungsbehandlung oder für eine Wiederver wendung als normale Nährlösung (für das Wachstum der Pflanzen) in geeigneter Weise zu behandeln.
  • Wurden die Metaboliten aus der Nährlösung mit Hilfe eines mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittels extrahiert, so wird dieses von der wäßrigen Phase abgetrennt, verdampft und der trockene Rückstand wird verwertet. Die Metaboliten können dann gereinigt und von möglichen Verunreinigungen abgetrennt werden. Wurden die Metaboliten auf einem festen Träger abgefangen, so wird dieser feste Träger aus der Nährlösung isoliert, die Metaboliten werden mit einer wäßrigen flüssigen Phase eluiert, indem man die Ionenstärke, den pH variiert oder Gegenionen zugibt oder ein organisches Lösungsmittel verwendet, das mit Wasser mischbar ist oder nicht (Alkohole, Kohlenwasserstoffe, chlororganische Verbindungen, Nitrile oder andere). In letzterem Falle wird man die umweltfreundlichsten, am wenigsten entzündlichen, am wenigsten toxischen, die am wenigsten kostspieligen und am besten biologisch abbaubaren Lösungsmittel einsetzen. In jedem Falle wird man alle klassischen Mittel der Chromatographie und der Chemie einsetzen, um die im Eluat enthaltenen Moleküle zu reinigen und aufzukonzentrieren.
  • Sobald die Pflanzen über die Zeit permeabilisiert worden sind, die zur Erzielung des maximalen Austritts der Metaboliten ohne irreversible Beeinträchtigung ihres Überlebens (sequentielle, stärkere Permeabilisierung über kurze Zeit oder mildere Permeabilisierung über längere Zeit), als optimal bestimmt wurde, wird die Permeabilisierungsbehandlung gestoppt. Die Pflanzen werden in normale Kulturbedingungen zurückgesetzt. Wurden sie mit einer Permeabilisierungslösung behandelt, so wird eine Spüllösung eingesetzt, um dieses Permeabilisierungsmittel (Tenside, Detergentien, Salze, Säuren, Basen) zu beseitigen. Diese Lösung ersetzt vorübergehend die Nährlösung. Erst dann werden die Pflanzen in normale Kulturbedingungen zurückgesetzt. Nach einer ausrei chenden Kultivierungszeit können die Pflanzen erneut permeabilisiert werden. Diese Zyklen können wiederholt werden, bis sich die Produktion, die Produktivität und der Gesundheitszustand der Pflanzen merklich verschlechtern. In diesem Falle wird die gesamte oder ein Teil der Kultur durch junge Pflanzen ersetzt, die man vor der ersten Permeabilisierungsbehandlung wachsen läßt, vorzugsweise bis optimale Entwicklung erreicht ist.
  • In einigen Fällen kann eine kontinuierliche Permeabilisierungsbehandlung in Betracht gezogen werden. In diesem Falle sollte die Permeabilisierungsbehandlung mild genug sein, um den Austritt der Metaboliten und vor allem das Überleben der Pflanze während der gesamten Permeabilisierungsbehandlung zu ermöglichen. Wenn die Wirksamkeit der Behandlung merklich nachzulassen beginnt und sich dadurch ein wirtschaftlich nicht annehmbarer Leistungsabfall ergibt, so werden die "alten" Pflanzen durch jüngere ersetzt, die sofort oder nach einer Beschleunigung des Wachstums permeabilisiert werden.
  • Im allgemeinen kann die Zugabe der Vorläufer der gesuchten Metaboliten während der Permeabilisierung der Pflanzen erfolgen. In diesem Falle können die Moleküle von den Zellen dieser Pflanze biotransformiert werden. Die Zugabe der Vorläufer sollte kontrolliert erfolgen, um zu vermeiden, daß letztere nicht als Kohlenstoffquelle für die Mikroorganismen dienen, deren Entwicklung das Überleben der Pflanzen mit der Zeit gefährden könnte. Die Zugabe der Vorläufer kann direkt in die Nährlösung erfolgen, wenn die Wurzeln permeabilisiert werden. Sie kann durch die Nährlösung über die Wurzeln erfolgen, wenn auch die Blätter permeabilisiert werden, doch kann sie auch durch die Blätter über die Pflanzensprühflüssigkeit erfolgen.
  • Zur weiteren Erläuterung der möglichen praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens seien im folgenden vier nichteinschränkende Ausführungsbeispiele für dieses Verfahren beschrieben.
  • Beispiel 1
  • Herstellung von Tropan-Alkaloiden aus Datura innoxia Mill. in Hydroponik-Kultur
  • Die verwendeten Pflanzen stammen aus Samen, die vom Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (D-06466 Gatersleben, Corrensstr. 3, Deutschland) zur Verfügung gestellt wurden. Diese Samen wurden 10 Minuten bei Raumtemperatur in konzentrierter Schwefelsäure skarifiziert. Nach gründlichem Spülen unter laufendem Wasser wurden sie in Töpfe mit feuchter Erde gesetzt, um bei einer Temperatur von 25°C ± 1°C mit einer Photoperiode von 16 h und einer Luftfeuchtigkeit von 60–70% zu keimen. Nach Ablauf von zwei Monaten, als die Pflanzen eine Größe von 15–20 cm erreicht hatten, d.h., in einem Stadium mit 8–10 Blättern, wurden sie umgetopft und in Glasbehälter einer bekannten Art mit der Bezeichnung "Baby Food Jar" (Sigma-Aldrich Inc., Frankreich) mit 175 ml überführt. Die Pflanzen wurden durch die Deckel der Töpfe gehalten, die vorher mit drei Bohrlöchern versehen worden waren (eines für den Stengel, eines für das Lufteinperlen und eines für das Wiederauffüllen der Flüssigkeit (siehe 1). Eine Lösung des Typs MS mit vierfacher Verdünnung (Murashige und Skoog, 1962) wurde in den Topf gegeben. Durch Siliconschläuche kann Luft in die Nährlösung eingeperlt werden, um gute Sauerstoffversorgung des Wurzelsystems der Pflanzen aufrechtzuerhalten und auch um übermäßige Entwicklung von Mikroorganismenpopulationen zu vermeiden. Es wurden sechzig Pflanzen auf diese Weise eingesetzt. Sie wurden zwei Wochen unter denselben Licht-, Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsbedingungen kultiviert wie vorstehend angegeben.
  • Die Nährlösung wurde mit steigenden Mengen (0, 1, 2, 3 oder 5% Vol./Vol.) Tensid versetzt (des bekannten Typs mit der Bezeichnung Tween 20: Polyoxyethylensorbitanmonolaurat). Die Permeabilisierung mit Tween 20 (vertrieben durch die Firma Prolabor) erfolgte 0, 12, 24 oder 48 Stunden lang ohne Einperlen von Luft (zur Vermeidung von Schaumbildung). Die Nährlösung einer jeden Pflanze wurde aufgefangen, filtriert und mittels Chromatographie in der Gasphase analysiert. Die mittlere Gesamtkonzentration an Hyoscyamin und Scopolamin steigt langsam mit der Tensid-Konzentration. Sie steigt über 7 mg/l ohne Tensid und auf 45 mg/l mit 5% Tween 20. Die Konzentration an Hyoscyamin und Scopolamin steigt mit der Dauer der Behandlung.
  • Die gesamten Permeabilisierungslösungen wurden aufgefangen und die darin enthaltenen Moleküle wurden nach Zugabe von Ammoniak bis auf pH 9 in Chloroform aufgenommen. Das Chloroform wurde abgedampft, und der trockene Rückstand enthielt die Gesamtmenge der beiden Moleküle Hyoscyamin und Scopolamin.
  • Das Wurzelsystem der permeabilisierten Pflanzen wurde unter laufendem Wasser gespült, und die Pflanzen wurden wie vorstehend beschrieben in eine Hydroponik-Kultur zurückgesetzt. Nach drei Wochen Kultivieren hatten alle Pflanzen überlebt. Sie waren weitergewachsen, und einige der permeabilisierten Pflanzen zeigten sogar stärkeres Wachstum als die Kontrollpflanzen.
  • Einen Monat später wurden die ein erstes Mal permeabilisierten Pflanzen ein zweites Mal gemäß mehreren Bedingungen permeabilisiert:
    • a) 4 Kontrollpflanzen (nicht permeabilisiert),
    • b) 4 Pflanzen, die 24 h mit 3% eines Tensids permeabilisiert wurden, das unter der Bezeichnung Teepol bekannt ist (eingetragenes Warenzeichen – Firma TEMANA),
    • c) 4 Pflanzen, die 24 h mit 5% Tween 20 permeabilisiert wurden,
    • d) 4 Pflanzen, die 24 h mit 5% Tween 20 permeabilisiert und bei 27°C ständig beleuchtet wurden,
    • e) 4 Pflanzen, die 24 h mit 5% Tween 20 + 1 g/l Ornithin und 1 g/l Phenylalanin permeabilisiert wurden,
    wobei die Nährlösungen entnommen, filtriert und wie vorstehend angegeben analysiert wurden.
  • Die Konzentrationen an Hyoscyamin und Scopolamin waren wie folgt:
    • a) 1,5 mg/l ± 1
    • b) 2,4 mg/l ± 1,4
    • c) 9,1 mg/l ± 4
    • d) 18,8 mg/l ± 3,7
    • e) 22,7 mg/l ± 2,4
  • Schlußfolgerung: Es ist möglich, Datura in Hydrokultur wachsen zu lassen. Daturas setzen spontan Alkaloide (Hyoscyamin und Scopolamin) in die Nährlösung frei. Diese Freisetzung (im folgenden auch als Ausscheidung bezeichnet) läßt sich durch Permeabilisierung der Pflanzen mit Tensiden verstärken. Dabei ist es durch Ändern der Beschaffenheit des Tensids, der Konzentration desselben und der Kontaktzeit möglich, eine permeabilisierende Wirkung zu haben, ohne daß das Überleben der Pflanzen beeinträchtigt wäre. Für diese Anwendung ist Tween 20 ein wirksames Tensid. Bei gleicher Menge ist Tween 20 wirksamer als Teepol. Der Zusatz von Vorläufern von Hyoscyamin und Scopolamin ist im Hinblick auf die in die Nährlösung freigesetzte Menge an Alkaloiden sehr vorteilhaft. Bei ständiger Beleuchtung der Pflanzen bei höherer Temperatur über einen Zeitraum von 24 Stunden werden Ergebnisse erhalten, die denen bei Zugabe von Vorläufern nahekommen. Hier liegt der Gedanke nahe, daß man mit einer Optimierung des Systems die Produktivität des Verfahrens noch weiter erhöhen könnte.
  • Die permeabilisierten Pflanzen wurden abgespült und in Kultur zurückgesetzt. Alle Pflanzen überlebten und erlaubten auch spätere Permeabilisierungen.
  • Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß Pflanzen der Art Datura unter erdlosen Bedingungen kultiviert werden können, um sie Tropan-Alkaloide produzieren zu lassen, die aus der gebrauchten Nährlösung gewonnen werden. Die Produktion kann durch eine angepaßte Behandlung erhöht werden. Diese Behandlung kann Mit Hilfe von Tensiden erfolgen. Dabei sind nicht alle Tenside gleich wirksam. Je höher die Menge des Tensids, desto wirksamer ist die Behandlung. Je länger die Behandlung dauert, desto wirksamer ist sie. Eine unter geeigneten Bedingungen durchgeführte Behandlung ermöglicht das Überleben der Pflanze, ja sogar eine weitergehende Entwicklung, und sie läßt sich zudem mehrmals permeabilisieren. Die Wirksamkeit der Permeabilisierungsbehandlung kann durch Zugabe von Vorläufern zur Permeabilisierungslösung verstärkt werden. Die Wirksamkeit kann auch durch Intensivieren der Photosynthese verstärkt werden, indem die Pflanzen ständig beleuchtet werden, der CO2-Gehalt erhöht wird und/oder die Umgebungstemperatur erhöht wird.
  • Beispiel 2
  • Produktion von Taxanen aus Eiben in erdloser Kultur Vier Eiben-Pflanzen mit 60 cm Höhe wurden im Handel erworben, umgetopft und in Töpfe aus PVC (Polyvinylchlorid) gesetzt, die ein Fassungsvermögen von 6 Litern aufwiesen und 5 Liter einer Nährlösung vom Typ MS (Murashige und Skoog, 1962) in 12facher Verdünnung enthielten. Nach 4 Tagen der Kultivierung im Gewächshaus unter Einperlen von Luft (0,25 vvm: 0,25 Volumina Gas pro Volumen Medium pro Minute) (2) wurde die Nährlösung entnommen, auf Filtern des Typs Millex 0,45 μm filtriert und mittels HPLC (Hochdruckflüssigkeitschromatographie) auf einer C18-Säule mit 30 cm mit einem Gradienten von 0 bis 100 Methanol und UV-Detektion bei 254 nm analysiert. Es konnte kein Taxol in dieser Nährlösung nachgewiesen werden. Die Lösung wurde durch eine neue Lösung ersetzt, und es wurden 2% Tween 20 in die Kulturtöpfe von zwei dieser Pflanzen gegeben. Nach 24 Stunden wurde eine Konzentration von 2,1 mg/l ± 1,04 (d.h. 5 μg/l/g frisches Material) in der Nährlösung für die permeabilisierten Pflanzen gemessen, während nur 0,2 mg/l ± 0,16 (d.h. 0,2 μg/l/g frisches Material) bei den nicht permeabilisierten Pflanzen gemessen werden konnten. Hinreichend ähnliche Ergebnisse wurden erhalten bei der Messung von Baccatin III (ein anderer interessanter sekundärer Metabolit bei der Eibe). Nach Spülen der Wurzeln konnten die Pflanzen erneut permeabilisiert werden, ohne ihre Lebensfähigkeit zumindest während der dreiwöchigen Versuchsdauer zu gefährden. Diese Ergebnisse zeigen also, daß es möglich ist, partielle Freisetzung der Taxane (Paclitaxel) aus Eiben in erdloser Kultur (in diesem Falle eine Hydroponik-Kultur von der Art einer Hydrokultur) zu erreichen. In unserem Beispiel wurde weder die Nährlösung, noch die Permeabilisierungsbehandlung optimiert. Nach einer Optimierung der Nährlösung (siehe Morard, 1995), der Kulturbedingungen (Temperatur, Licht, CO2) und der Permeabilisierungsbehandlung wären also noch interessantere Ergebnisse zu erwarten.
  • Beispiel 3
  • Produktion von Furocumarinen aus der Raute (Ruta graveolens) in Hydroponik-Kultur (Hydrokultur nach Morard, 1995) Acht im Topf kultivierte Pflanzen im Alter von 10 Monaten wurden zwei Wochen unter Einperlen von Luft in eine Kultur in Nährlösung MS/4 (Lösung von Murashige und Scoog, 1962, in 4facher Verdünnung) gesetzt (dieselbe Vorrichtung wie in 1). Vier der acht Pflanzen wurden 24 Stunden mit 3% (Vol./Vol.) Tween 20 permeabilisiert. Die Nährlösungen wurden dann entnommen, filtriert und mittels Gaschromatographie analysiert. Die Nährlösungen der permeabilisierten Pflanzen enthielten durchschnittlich 8,1 ± 4,1 mg/l Furocumarine (Psoralen, 8-Methoxypsoralen, 5-Methoxypsoralen und 5,8-Dimethoxypsoralen) gegenüber 5,2 ± 2,8 mg/l für die Nährlösungen der vier Kontrollpflanzen. Die Wurzeln der Pflanzen wurden mit Wasser abgespült, dann wurden die Pflanzen eine Woche lang in Kultur zurückgesetzt. Anschließend wurden die vier bereits ein erstes Mal permeabilisierten Pflanzen in der gleichen Weise erneut permeabilisiert. Die Ergebnisse sind wie folgt: 22,5 ± 6,1 mg/l für die permeabilisierten gegenüber 19 ± 8,5 mg/l für die nicht permeabilisierten Pflanzen.
  • Es wurde noch eine dritte Permeabilisierung mit denselben Pflanzen vorgenommen, die ähnliche Ergebnisse lieferte, wobei alle Pflanzen überlebten.
  • Schlußfolgerung: Rauten können unter erdlosen Bedingungen kultiviert werden. Sie scheiden in natürlicher Weise Furocumarine in die Nährlösung aus, doch läßt sich diese Freisetzung durch eine angepaßte Permeabilisierungsbehandlung erhöhen (hier: Tween 20 mit 3%). Auch andere Behandlungsarten können in Betracht gezogen werden: andere Tenside, Erhöhung der Temperatur der Nährlösung oder Erhöhung des Salzgehalts der Nährlösung, Zugabe von z.B. Umbelliferon oder Phenylalanin. Es sei klar, daß wie in Beispiel 2 die Kulturbedingungen und die Permeabilisierungsbehandlung optimiert werden können, um noch bessere Ausbeuten zu ergeben.
  • Beispiel 4
  • Aeroponik-Kultivierung von Datura innoxia und Datura stramonium
  • Samen von Datura stramonium und Datura innoxia wurden zum Keimen in kleine Näpfchen mit Vermiculit gesetzt, der mit Nährlösung besprengt wurde. Diese Näpfchen wurden anschließend auf Träger verbracht, die aus durchbohrten Platten (aus PVC) bestanden. Diese Platten wurden in einen großen Bottich mit 1,2 m × 1 m × 1 m gesetzt, auf dessen Boden sechs Zerstäuber in die Nährlösung eintauchten (3). Alle 30 Minuten lösten die Zerstäuber 15 Minuten lang aus. Die gesamte Vorrichtung wurde in ein Phytotron mit identischen Bedingungen wie in Beispiel 1 gesetzt. Nach einem Monat Kultivierung war die gesamte Biomasse von einigen zig Gramm frischen Materials auf über ein Kilogramm angewachsen (Stengel + Blätter + Wurzeln). Eine HPLC-Analyse zeigte, daß 8 mg/l Alkaloide in den 40 Litern Nährlösung vorhanden waren, woraus sich insgesamt 320 mg Hyoscyamin und Scopolamin errechnen.
  • Schlußfolgerung: das Wachstum der Daturas in der Aeroponik ist sehr schnell. Die Pflanzen sind gesund und kräftig. Zudem scheiden sie die Alkaloide spontan in die Nährlösung aus. Diese Ausscheidung läßt sich durch eine angepaßte Behandlung wie etwa eine Permeabilisierung, eine Veränderung der Lösung mit Erhöhung der Salzkonzentration oder eine Erhöhung der Inkubationstemperatur der Wurzeln und gegebenenfalls durch Zugabe von Vorläufern der Tropan-Alkaloide verbessern (Gontier, 1993).
  • Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß Daturas mittels Aeroponik kultiviert werden können, wobei in diesem Falle das Wachstum des Pflanzenmaterials sehr schnell ist. Große Mengen Biomasse können in kürzerer Zeit als mit der Hydroponik (Hydrokultur nach Morard, 1995) erhalten werden. Außerdem können sekundäre Metaboliten aus der gebrauchten Nährlösung gewonnen werden. Der Gehalt an Metaboliten in dieser Lösung hängt ab von der Menge der Biomasse und der Kontaktzeit der Nährlösung mit dem Wurzelteil dieser Biomasse. Vorstellbar ist auch eine Erhöhung der Metaboliten-Konzentration durch eine angepaßte Behandlung (Permeabilisierung, Ionenstärke, Temperatur, Elicitation).
  • Nachdem es also möglich ist, Pflanzen auf mehreren tausend Gewächshaus-Quadratmetern zum Wachsen zu bringen (wie es der Fall bei Tomate und Gurke ist) und nachdem es möglich ist, die gebrauchten Nährlösungen in den Kreislauf zurückzuführen (wie es der Fall ist bei Verfahren vom Typ Hydrokultur, Aeroponik, NFT (Nutrient Film Technique)), sollte das erfindungsgemäße Verfahren die Kultivierung von Pflanzen, die sekundäre Metaboliten produzieren, auf mehreren tausend Gewächshaus-Quadratmetern ermöglichen. Die spontan ausgeschiedenen Metaboliten können aus der gebrauchten Nährlösung gewonnen werden. Auch läßt sich die Freisetzung dieser Moleküle sowie die Biosynthese vor der Ausscheidung sogar noch steigern. Bei Pflanzen, die sekundäre Metaboliten produzieren, die dann an der Oberfläche der Blätter "herausgedrückt" oder "ausgeschieden" werden (Brown und Zobel, 1990), lassen sich diese Verbindungen auch durch Besprengen der Pflanzen mit einer angepaßten Lösung und Auffangen der die fraglichen Metaboliten enthaltenden Auswaschflüssigkeiten gewinnen. Eine solche Vorrichtung dient zur Herstellung von Molekülen pflanzlichen Ursprungs, und diese Moleküle können für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden, etwa bei therapeutischen, kosmetischen, diätetischen oder nichtdiätetischen Anwendungen. Diese Moleküle besitzen vorzugsweise ein hinreichend geringes Molekulargewicht und müssen nicht völlig unlöslich in Wasser sein, dem ein Tensid zugesetzt wurde oder nicht.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Abwandlungen sind möglich, insbesondere im Hinblick auf den Aufbau der verschiedenen Elemente oder durch Ersetzen technischer Äquivalente, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den Patentansprüchen definiert ist.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung von Molekülen aus Pflanzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Pflanzen unter erdlosen Bedingungen kultiviert und mit einer Nährlösung versorgt und/oder mit einer Waschflüssigkeit besprüht werden, wobei die Lösung und/oder die Flüssigkeit anschließend wiedergewonnen und behandelt wird, um daraus einige bestimmte, darin enthaltene Moleküle zu extrahieren, die von den Wurzeln und/oder den oberirdischen Teilen der Pflanzen abgegeben werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es im einzelnen in der Durchführung der folgenden Schritte besteht: a) Initiierung der Pflanzenkultur unter erdlosen Bedingungen, so daß die Pflanzen wachsen und sich entwickeln können und Biomasse in ausreichender Menge erhalten werden kann, um das Verfahren rentabel zu machen; b) Gewinnung der Metaboliten, die von den Wurzeln oder den oberirdischen Teilen der Pflanze abgegeben werden, mit Hilfe einer Flüssigkeit, die durch Perkolieren oder Eintauchen mit den Wurzeln oder durch Besprühen mit den Blättern der Pflanzen in Kontakt gebracht wird; c) Auffangen der gebrauchten bzw. beladenen Lösung in Form eines Perkolats (bei den Wurzeln) oder einer Auswaschflüssigkeit (bei den Blättern) und Isolierung der gesuchten, in dieser Lösung enthaltenen Moleküle durch Flüssig/flüssig-Extraktion, Flüssig/fest-Extraktion, Umkristallisieren, Sublimieren oder durch Verdampfen des Wassers.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es einen zusätzlichen Schritt der erzwungenen Permeabilisierung der Wurzeln oder der oberirdischen Teile der Pflanzen mit einer Lösung umfaßt, die insbesondere Salze, Tenside, Detergentien, Lösungsmittel, Elicitoren aus Pilzen oder Bakterien, Derivate der Jasmonsäure oder andere Substanzen enthält, die die natürliche Abwehr der Pflanzen in einer Weise stimulieren, daß sich der Stoffstrom aus den Wurzeln oder Blättern in die Nährlösung bzw. in die Waschflüssigkeit deutlich erhöht, ohne daß die Lebensfähigkeit der Pflanzen völlig verlorengeht, so daß sie direkt wiederverwendet werden können oder nach einer Phase des Spülens und Rücksetzens in Kulturbedingungen, die zumindest die Wiederherstellung eines guten physiologischen Zustandes der Pflanzen ermöglichen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erzwungene Permeabilisierung permanent erfolgt, indem eine permeabilisierende Lösung zur Nährlösung gegeben wird, die den Pflanzen kontinuierlich oder in regelmäßigen Abständen zugeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spülung des Wurzelsystems und/oder der oberirdischen Teile der Pflanzen durchgeführt wird, anschließend Rücksetzen in Pflanzenwachstumsbedingungen über einen hinreichenden Zeitraum erfolgt, um die Durchführung einer erneuten Behandlung mit erzwungener Permeabilisierung zu ermöglichen, gefolgt oder begleitet von einem Schritt der Gewinnung der gesuchten Moleküle.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, die Biosynthesekapazität der Pflanze und ihr Potential zur Ausscheidung von Metaboliten in die Lösung durch eine physikalische Behandlung zu verstärken, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Erhöhung der Temperatur, ergänzender oder längerer Bestrahlung mit Licht, Erhöhung des CO2-Gehalts in der mit der Pflanze in Kontakt stehenden Atmosphäre sowie Kombinationen aus mehreren dieser physikalischen Behandlungen.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Produktion und Ausscheidung der von den Pflanzen synthetisierten Metaboliten durch Neusynthese dieser Moleküle nach Bereitstellung von Vorläufern dieser Metaboliten verstärkt werden, wobei diese Vorläufer bei der Biosynthese der Metaboliten der Pflanze mit der Nährlösung an den Wurzeln zugeführt werden oder durch Besprühen der oberirdischen Teile in Mischung mit Tensiden, um Eindringen in die Blätter zu erreichen.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Produktion und Ausscheidung der Metaboliten verstärkt werden durch Steigern der Photosyntheseaktivität mittels künstlicher Beleuchtung über eine Zeitdauer, die länger ist als die, an die die Pflanze gewöhnt ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gesuchten Metaboliten aus den oberirdischen Teilen der Pflanzen durch Bespritzen oder Besprühen der Pflanzen mit einer geeigneten Lösung oder Flüssigkeit erhalten werden, die vorzugsweise Tenside, oberflächenaktive Mittel und/oder Detergentien enthält, wobei die beladene Spritz- oder Sprühlösung für sich oder in Mischung mit der Nährlösung zur Extraktion und Reinigung der gesuchten Moleküle wiedergewonnen wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Pflanzen ausgewählt sind aus der Gruppe der höheren Pflanzen oder Gefäßpflanzen, die in der Lage sind, wirtschaftlich interessante Metaboliten in großer Menge zu synthetisieren, und daß die gesuchten Moleküle sekundären Metaboliten entsprechen, die natürlicherweise von diesen Pflanzen produziert werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gewonnenen und isolierten Metaboliten ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Alkaloiden vom Tropan- und Indol-Typ, gegen Krebs wirksamen Verbindungen, Taxanen oder Taxol-Derivaten, Furocumarinen, Terpenen, Glycosiden, Phenylpropan-Verbindungen, Saponinen und Steroiden.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Pflanzen genetisch verändert sind, um sie mehr Metaboliten produzieren zu lassen oder ihre Morphologie zu verändern, beispielsweise durch Erhöhen ihrer Wurzelbiomasse nach genetischer Transformation mit Agrobacterium rhizogenes.
  13. Anlage zur Durchführung, insbesondere in großem Maßstab, des Herstellungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage im wesentlichen aufgebaut ist aus einerseits mehreren Behältern (2) für die erdlose Kultur der Pflanzen (1), enthaltend einen inerten Kulturträger bzw. ein solches Substrat (2") oder nicht, und zum anderen einer Vorrichtung zur Lagerung und Bereitstellung von Nährlösung (3) für die Pflanzen (1), umfassend einen Tank (13) und eine Versorgungsleitung (13'), die mit einem Leitungsnetz (13") verbunden ist, das die Lösung (3) kontrolliert zur Unterlage der Pflanzen (1) bringt, sowie ei ner Vorrichtung zur Abgabe der Permeabilisierungslösung und/oder der Waschflüssigkeit, umfassend insbesondere einen Misch- und Vorratstank (14) für die Permeabilisierungslösung und/oder einen Tank (14') für die Waschflüssigkeit, der/die mit Versorgungsleitungen (14") zum Besprühen und/oder Einspritzen verbunden ist/sind, und schließlich einer Gruppe aus Einrichtungen (15, 15', 15", 16) zur Wiedergewinnung, Behandlung und Rückführung zumindest der gebrauchten Nährlösung (3'), wobei diese Einrichtungen einen Bottich zur Zwischenlagerung (15) umfassen, in. dem die gebrauchte Nährlösung (3') aufgefangen wird, die durch Entleerung der Behälter (2) für die erdlose Kultur abgeführt wird, und der mit einer direkten Rückführungsleitung (15') und einer zweiten Rückführungsleitung (15"), umfassend eine Trenn- oder Extrahiereinheit (16), zu einer Reinjektionsschleife zum Vorratstank (13) für die Nährlösung (3) verbunden ist, wobei die Einheit (16) die gesuchten Metaboliten extrahiert, die in der gebrauchten Nährlösung (3') enthalten sind und von den Wurzeln und/oder den oberirdischen Teilen der Pflanzen (1) abgegeben wurden.
  14. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Tank (13) über eine Einspritzleitung (13"') auch mit zusätzlichen Nährstoffen versorgt wird, die in geeigneten Tanks (13"") gelagert werden, um so die Menge derjenigen Substanzen auszugleichen, die von den Pflanzen (1) auf genommen wurden.
  15. Anlage nach einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage auch eine Vorrichtung zur Abgabe von Lösung(en) des/der Vorläufer(s) der von den Pflanzen zu synthetisierenden Metaboliten und/oder von Substanzen umfaßt, die die Synthese der Metaboliten stimulieren, umfassend einen Vorratstank (17) und eine Versorgungsleitung (17), die gleichzeitig mit der Ver sorgungsleitung (13') bzw. mit dem Leitungsnetz (13") verbunden ist, durch die die Versorgung mit Nährlösung (3) erfolgt, sowie mit Einrichtungen (18) zur Abgabe durch Besprühen der Pflanzen (1) an ihren oberirdischen Teilen, sowie die Vorrichtung (14, 14', 14") zur Abgabe von Permeabilisierungslösung und/oder Waschflüssigkeit.
  16. Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage zum einen auch Einrichtungen (19', 19") zur Beheizung der Pflanzen (1) und/oder ihrer Behälter (2) umfaßt, beispielsweise in Form eines Netzes paralleler und beabstandeter Leitungen, durch die eine Wärmetauscherflüssigkeit strömt und die oberhalb und/oder unterhalb der Behälter (2) verlaufen, sowie zum anderen Einrichtungen (20) zur künstlichen Beleuchtung oder Bestrahlung der Pflanzen (1).
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