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Die Förderinitiative

Im Jahr 1998 hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Leitprojektinitiative „Ernährung – moderne Verfahren zur Lebensmittelerzeugung“ ins Leben gerufen. Mit dieser der Stärkung des Forschungs- und Wirtschaftsstandorts Deutschlands dienenden Initiative sollte auch der kontrovers geführte Dialog zu „Neuartigen Lebensmitteln“ zwischen Wissenschaft, Wirtschaft, Verbrauchern und Politik neue Impulse erhalten und versachlicht werden. Insbesondere die Potenziale der Grünen Biotechnologie sollten mehr Öffentlichkeitswirksamkeit erhalten.

Aufgrund ihrer zentralen Bedeutung für diese Ziele wurden aus 45 eingereichten Projektskizzen drei Forschungsprojekte für die Förderung ausgewählt. Für das Projekt „Entwicklung von Weizen-, Roggen- und Gerstenproteinen ohne Zöliakie-Toxizität und deren Verwendung zur Herstellung von Lebensmitteln“ war eine Förderung in zwei Teilschritten von je fünf Jahren vorgesehen. Der erste Projektteil wurde im Zeitraum von Januar 2000 bis Ende Januar 2005 durchgeführt.

Es waren acht verschiedene wissenschaftliche Arbeitsgruppen beteiligt. Zur Koordination dieses Forschungsverbunds wurde der „Verein zur Förderung und Verwertung von gentechnisch verbesserten Getreideprodukten“ gegründet. Verschiedene Unternehmen und Verbände, darunter auch die Deutsche Zöliakie-Gesellschaft e.V. (www.dzg-online.de) als Selbsthilfegruppe für Betroffene waren Mitglieder dieses Vereins, der sich im Sommer 2007 wieder auflöste.

Hintergrund

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normale/geschädigte Darmschleimhaut

Das Krankheitsbild Zöliakie
Ein bis zwei Prozent der Bevölkerung in Europa sind von der sogenannten Zöliakie betroffen, einer lebenslangen Unverträglichkeit auf das sogenannte „Klebereiweiß“ Gluten, das in verschiedenen Getreiden, vor allem Weizen und verwandten Pflanzen wie Dinkel, Kamut, Roggen, Gerste und Hafer vorkommt. Damit ist Gluten Bestandteil vieler unserer Lebensmittel. Bei glutenempfindlichen Personen löst das Gluten eine Entzündungsreaktion im Darm mit massiver Schädigung der Dünndarmschleimhaut aus. In der Folge können nicht mehr genügend Nährstoffe über den Darm in den Körper aufgenommen werden und es treten entsprechende Mangelerscheinungen auf.

Eine Zöliakie kann sich in jedem Lebensalter entwickeln und zeigt sich dann in individuell unterschiedlichsten Formen, was eine korrekte Diagnose sehr schwierig macht. Symptome wie Magen- und Darmbeschwerden, aber auch starke Kopfschmerzen oder dauernde Müdigkeit bis hin zu schweren Langzeitfolgen infolge eines erhöhten Osteoporose- und Darmkrebsrisikos können auftreten.

Das Leitprojekt Zöliakie
Weizenprodukte, insbesondere Back- und Teigwaren, haben einen hohen Stellenwert in unserer Ernährung. Außerdem sind auch in vielen anderen Lebensmitteln Getreideprodukte wie etwa Weizenstärke enthalten. Solche auch nur in Spuren vorkommenden Mengen können Zöliakie-Betroffenen große Probleme bereiten. Deswegen hat sich das Leitprojekt Zöliakie auf das Gluten als Auslöser der Krankheit konzentriert.

Molekulare Struktur
Molekulare Struktur des Glutens
Etwa achtzig Prozent der Eiweißmenge im Mehlkörper des Weizenkorns bestehen aus Gluten. Gluten wiederum setzt sich aus den sogenannten Gliadinen und Gluteninen zusammen. Bei der Anmischung des Teiges mit Wasser bilden diese beiden Gluten-Eiweiße ein netzartiges Gebilde, das den Teig durchzieht und für die Qualität der Backprodukte entscheidend ist. Die Glutenine verleihen dem Teig beim Backvorgang Festigkeit und Elastizität, die Gliadine sorgen für seine Dehnbarkeit und damit die notwendige Stabilität bei der Bildung von Gasbläschen durch die Hefen. Gemeinsam ermöglichen die beiden Eiweiße die Bildung des vom Verbraucher geschätzten, lockeren und schmackhaften Gebäcks mit poröser Krume.

Das wichtigste Ziel des Forschungsprojekts war deshalb, qualitativ gleichwertige Backwaren für Zöliakie-Betroffene ohne die für sie schädlichen Bestandteile des Glutens herzustellen. Dafür gab es zwei Ansätze: zum einen sollten diese toxischen Glutenbestandteile durch andere Eiweiße, z.B. aus Reis- oder Maismehl, ersetzt werden; zum anderen wurde versucht, die Zöliakie-auslösenden Glutenbestandteile so zu verändern, dass sie keine schädliche Wirkung mehr hatten, gleichzeitig aber ihre Backeigenschaften erhalten blieben.

Die Arbeitshypothesen des Leitprojekts
Die beteiligten Wissenschaftler gingen entsprechend dem Stand der Wissenschaft Ende der 90er Jahre von der Hypothese aus, dass nur die Gliadine im Gluten der eigentliche Zöliakie-Auslöser sind. Dies galt es in einem ersten Schritt zu beweisen. Mit herkömmlichen Mitteln war es nicht möglich, die Glutenbestandteile Gliadin und Glutenin in reiner Form, d.h. garantiert Gliadin-freies Glutenin zu gewinnen. Deswegen waren auch keine eindeutigen Aussagen zur Toxizität möglich. Gentechnische Verfahren eröffneten aber zu Projektbeginn erstmals die Möglichkeit, Glutenine in reiner Form zu gewinnen.

Gleichzeitig sollte die zweite Hypothese bewiesen werden, dass nämlich die elastischen Eigenschaften des Klebers nur von den Gluteninen abhängen und die stabilitätsgebenden Eigenschaften der Gliadine durch andere Eiweiße übernommen werden könnten.

Daher wurden von den acht am Verbundprojekt beteiligten wissenschaftlichen Arbeitsgruppen folgende Ansätze verfolgt:

Die verschiedenen Teile des Leitprojekts

  • Übertragung von Genen (Bauanleitungen) für Weizen-Glutenine auf Hefe und Bildung des Glutenins in der Hefe Saccharomyces cerevisiae als Gliadin-freies Produkt
  • Übertragung von Genen für Weizen-Glutenine auf Maispflanzen (Zea mays) und Herstellung von zöliakie-unschädlichem, glutenin-haltigem Maismehl mit verbesserten Backeigenschaften
  • Prüfung der gentechnisch in Hefe und Mais hergestellten Glutenine auf ihre Zöliakie-Verträglichkeit
  • Charakterisierung der gewonnenen, reinen Zöliakie-verträglichen Glutenine und Untersuchung ihrer Klebereigenschaften
  • Herstellung von Weizenpflanzen ohne Zöliakie-Toxizität mit Hilfe gentechnischer Methoden (Entfernung von Gliadin-Genen)
  • Weitere Vermehrung und Züchtung von gentechnisch verändertem Weizen und Mais
  • Herstellung von Muster-Backwaren ohne Zöliakie-Toxizität mit den aus den Hefen, Mais und Weizen gewonnenen Produkten
  • Untersuchung der ernährungsphysiologischen Bedeutung dieser Produkte.

Die Wissenschaftliche Koordination der Arbeitsgruppen wurde von den Molekularbiologinnen Dr. Gabriele Sachse und Dr. Gunvor Pohl-Apel (Biolinx GmbH) übernommen.

Die wichtigsten Ergebnisse der Leitprojekts

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Transgene Maispflanze
Glutenine können Zöliakie auslösen!
Aus den mit Glutenin-Genen ausgestatteten Hefezellen konnte erstmals Glutenin in reiner Form hergestellt und damit für die Forschung verfügbar gemacht werden. In vielen kleinen Teilschritten ist es schließlich gelungen, die Hefen in einem großen Fermenter im industriellen Maßstab zu züchten, und damit dieses, von Gliadin völlig freie Glutenin in ausreichender Menge sowohl für die Toxizitäts-Untersuchungen, als auch für die geplanten Backversuche zur Verfügung zu stellen.

Auch auf den Mais konnten die Glutenin-Gene erfolgreich übertragen werden. Die Maispflanzen wurden im Gewächshaus bis zur Fruchtreife herangezogen. Das gebildete reine Glutenin wurde dann aus den geernteten Maiskörnern gewonnen.

Diese aus Hefe und Mais gewonnenen, reinen Glutenine wurden im Anschluss auf ihr Zöliakie-auslösendes Potenzial hin untersucht. Die dabei eingesetzten Zellkulturen lieferten keine eindeutigen Ergebnisse. Aber auch Zöliakie-Betroffene, die zuvor eine strikt glutenfreie Diät eingehalten hatten und entsprechend gesund waren, nahmen freiwillig an diesen Untersuchungen teil. Ihnen wurden kleinste Mengen des gereinigten Glutenins zugeführt. Die anschließende Dünndarmuntersuchung lieferte dann den ebenso überraschenden wie eindeutigen Befund: Die Veränderungen der zuvor völlig gesunden Schleimwände zeigten, dass auch Glutenine Zöliakie auslösen können. Damit waren die laufenden Versuche mit glutenin-haltigem, besser backfähigen Mais obsolet und wurden entsprechend eingestellt.

Die Eigenschaften der Glutenine aus Hefe und Mais sind mit denen aus Weizen vergleichbar
Für die geplanten Backversuche zur Untersuchung der elastischen Eigenschaften der Hefe-Glutenine wurde ein normales Handelsmehl eingesetzt. Aus dem Mehl wurde im ersten Schritt der Kleberanteil ausgewaschen. Das Restmehl wurde gefriergetrocknet, und das daraus erhaltene Mehlpulver wurde mit dem in Hefe gebildeten Glutenin vermischt. Mit Hefe, Zucker und Salz wurde daraus ein Teig hergestellt und gebacken. Die erhaltenen Brote wiesen tatsächlich eine gelockerte Krume auf, das Gashaltevermögen des Teiges und die kleberähnlichen Eigenschaften waren also auch ohne Gliadine vorhanden. Die elastischen Eigenschaften des Klebers werden allein durch Glutenine bestimmt.

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Das Gebäck aus alpha-gliadinfreiem Mehl (rechts) zeigt ein geringeres Volumen. Die Differenz lässt sich auf den fehlenden Kleber zurückführen.
Gliadine im Weizen können dauerhaft ausgeschaltet werden
Die heute angebauten Hochleistungsweizensorten besitzen sechs Chromosomensätze und damit alle Gene in sechsfacher Ausführung. Deshalb war es auch mit klassischen züchterischen Methoden nie möglich, sämtliche Gliadin-Gene zu entfernen. Bei einer ursprünglichen Weizensorte konnten aber bereits - zumindest einige - Gliadin-Gene herausgekreuzt werden. Diese Sorte diente als Ausgangsmaterial für die Experimente im Verbundprojekt. Mit Hilfe gentechnischer Methoden gelang es, die bei der Sorte noch vorhandenen, sogenannten Alpha-Gliadingene dauerhaft auszuschalten. Aus den im Gewächshaus gezüchteten Weizenpflanzen wurde das Mehl für die anschließenden Backversuche hergestellt. Dabei wurde deutlich, dass Alpha-Gliadine keine Bedeutung für die Backfähigkeit eines Weizenmehls haben: Das eingesetzte, Alpha-gliadinfreie Weizenmehl lieferte einen Teig mit gleichen rheologischen Eigenschaften wie beim normalen Weizenmehl auf. Diese Ergebnisse haben aufgrund der festgestellten Toxizität der Glutenine keine Bedeutung mehr für Zöliakie-Betroffene. Da die Backversuche aber auch gezeigt haben, dass sich die Kleberfestigkeit durch Ausschaltung der Alpha-Gliadine deutlich erhöht, sind sie von erheblichem technischen Interesse.

Schlussbemerkung

Das Projekt lieferte viele interessante und auch überraschende neue Erkenntnisse.

Das BMBF beendete die Förderung des Leitprojektes allerdings nach fünf von zehn vorgesehenen Jahren. Da weitere Finanzierungsmöglichkeiten nicht realisiert werden konnten, mussten die laufenden Arbeiten sehr zum Bedauern der beteiligten Wissenschaftler eingestellt werden. Detaillierte Beschreibungen und weitere Ergebnisse finden sich in Publikationen bzw. Diplom- und Promotionsarbeiten, die aus dem Projekt hervorgegangen sind.

Beteiligte Arbeitsgruppen:

AG Prof. Dr. Horst Lörz/ Dr. Dirk Becker
Universität Hamburg
Institut für Allgemeine Botanik und Botanischer Garten, AMP II
Ohnhorststrasse 18, 22609 Hamburg

AG Prof. Dipl.-Ing. Dr. Ulf Stahl/ Dr. Erika Hinzmann
Technische Universität Berlin
Mikrobiologie und Genetik, TIB 4/4-1
Gustav-Meyer-Allee 25, 13355 Berlin

AG Dr. Herbert Wieser
Deutsche Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie
Lichtenbergstrasse 4, 85748 Garching

AG Prof. Dr. Paul J. Ciclitira
St. Thomas’ Hospital
The Rayne Institute
Lambeth Palace Road, London SE 1 7 EH

AG Prof. Dr. Dr. e.h. Friedrich Meuser
Technische Universität Berlin
Institut für Lebensmitteltechnologie II
Getreidetechnologie
Seestrasse 11, 13353 Berlin

AG Prof. Dr. Bärbel Kniel *
biotask AG
Schelztortrasse 54-56, 73728 Esslingen

AG Prof. Dr. Hans-Joachim Zunft*
Deutsches Institut für Ernährung
Abt. Interventionsstudien
Arthur-Scheunert-Allee 114-116, 14558 Berholz-Rehbrücke

AG Monsanto*
Monsanto Agrar Deutschland GmbH
Vogelsanger Weg 91, 40470 Düsseldorf

BioAlliance AG
Westendstr. 50, 60325 Frankfurt

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* Da das Projekt ursprünglich auf zehn Jahre konzipiert war, haben sich diese Arbeitsgruppen nicht oder nur kurz am Forschungsprojekt beteiligt. In der zweiten Phase waren die Züchtung der neuen Pflanzensorten, die Verarbeitung zu Lebensmittelrohstoffen und die Produktentwicklung vorgesehen. Außerdem sollte die Akzeptanz der neuen Produkte in der Bevölkerung untersucht werden.

Publikationsliste


Arends, N.: Bilanzierung der Haupt- und Nebenprodukte des Fermentations- und Extraktionsprozesses bei der Gewinnung von Weizenspeicherproteinen aus transgenen Hefen, Diplom-Arbeit, Technische Universität Berlin, Fakultät III: Prozesswissenschaften, Fachgebiet Lebensmitteltechnologie II, 2005.

Bauer, I.: Produktion funktioneller Weizenspeicherproteine in transgenen Stämmen der Hefe Saccharomyces cerevisiae, Dissertation, Technische Universität Berlin, 2005, D83.

Becker D., Folck A., Wieser H.: Inhibierung der α-Gliadingenexpression in hexaploidem Brotweizen. Getreidetechnologie 60: 153-156 (2006).

Ciclitira P.J., Dewar D.H., Ellis H.J., Engel W., Johnson M., Wieser H.
: Clinical toxicity of HMW glutenin subunits of wheat to patients with coeliac disease. In: Proceedings of the 19th Meeting of the Working Group on Prolamin Analysis and Toxicity (Stern M., ed.), Verlag Wissenschaftliche Scripten, Zwickau, pp. 147-149 (2005).

Dewar D.H., Amato M., Ellis H.J., Pollock E.L., Gonzales-Cinca N., Wieser H., Ciclitira P.J.
: The toxicity of high molecular weight glutenin subunits of wheat to patients with coeliac disease. Eur. J. Gastroenterol. Hepatol. 18: 483-491 (2006).

Ellis H.J., Pollock E.L., Engel W., Fraser J.S., Wieser H. u. Ciclitira P.J.: Interferon-g secretion by coeliac small intestinal T cells, induced by an immunodominant gliadin sequence can be abolished by single amino acid point substitutions. Gastroenterology 122 (suppl 1) A 386 (2002).

Ellis H.J., Pollock E.L., Engel W., Fraser J.S., Rosen-Bronson S., Wieser H. u. Ciclitira P.J.: Investigation of the putative immunodominant T cell epitopes in coeliac disease. Gut 52: 212-217 (2003).

Ellis H.J., Dewar D.H., Gonzales-Cinca N., Pollock E.L., Wieser H., Ciclitira P.: The toxicity of recombinant high-molecular-weight glutenin subunits of wheat to patients with coeliac disease. In: Proceedings of the 20th Meeting of the Working Group on Prolamin Analysis and Toxicity (Stern M., ed.), Verlag Wissenschaftliche Scripten, Zwickau, pp. 83-85 (2006).

Folck, A.-C.: Posttranskriptionale Genaktivierung der α-Gliadine in Weizen (Triticum aestivum, L.), Dissertation Universität Hamburg, FB Biologie, 2004.

Fraser J.S., Engel W., Pollock E.L., Moodie S.J., Ellis H.J., Wieser H. u. Ciclitira P.J.: In-vivo toxicity of amino acids 57-75 of α -gliadin in coeliac disease. Gut Suplement No. II (Abstracts) 50: A19 (2002).

Fraser J.S., Engel W., Ellis H.J., Moodie S.J., Pollock E.L., Wieser H. u. Ciclitira P.J
: Coeliac disease: in-vivo toxicity of the putative immunodominant epitope. Gut 52: 1698-1702 (2003).

Hinzmann E., Wieser H., Stahl U.
: Protein and cDNA sequences of modified wheat glutenin and use for preparing foodstuffs. Eur. Pat. Appl., 43 pp. CODEN: EPXXDW EP 1424342 A1 20040602 (2004).

Hoffmann, R.: Aufreinigung von Gluteninpräparaten aus den Extrakten gentechnisch modifizierter Hefen und Charakterisierung der funktionellen Eigenschaften der Präparate, Diplomarbeit, Technische Universität Berlin, Fakultät III: Prozesswissenschaften, Fachgebiet Lebensmitteltechnologie II, 2005.

Müller, M.: Kombinierte Expression von Weizenspeicherproteinen in
der Hefe Saccharomyces cerevisiae. Promotion TU Berlin, Fakultät III: Prozesswissenschaften, 2006.

Wieser H. u. Engel W.: Synthesis and purification of peptides used for studies on coeliac disease. In: Proceedings of the 17th Meeting of the Working Group on Prolamin Analysis and Toxicity (M. Stern, ed.), Verlag Wissenschaftliche Scripten, Zwickau, pp. 121-125 (2003).

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: Zöliakiespezifische immunologische und toxikologische Untersuchungen von Peptiden aus a-Gliadinen. Getreide, Mehl, Brot 57: 331-334 (2003).

Wieser H., Engel W.: Preparation of HMW subunits of wheat glutenin used for studies on coeliac disease. In: Proceedings of the 18th Meeting of the Working Group on Prolamin Analysis and Toxicity (Stern M., ed) Verlag Wissenschaftliche Scripten, Zwickau, pp 131-135 (2004).

Wieser H., Engel W., Fraser J., Pollock E., Ellis H.J. u. Ciclitira P.J.: Coeliac disease-specific toxicological and immunological studies of peptides from a-gliadins. In: The Gluten Proteins (Lafiandra D., Masci S., D´Ovidio R., eds.) The Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK, pp 371-375 (2004).

Wieser H., Dewar D.H., Ellis H.J., Ciclitira P.J.
: Zöliakietoxizität von HMW-Untereinheiten des Glutenins. Getreidetechnologie 60: 40-43 (2006).

Wieser H., Kim J.-J., Köhler P., Folck A., Becker D.
: Charakterisierung von transgenem Weizen mit stark reduziertem a-Gliadinanteil. Getreidetechnologie 60: 98-101 (2006).