Cannabis sativa hat potenzielle Anwendungen in Bereichen wie z. B. Kosmetik, Nutrazeutika und Pharma. Forscher arbeiten daran, Cannabis-Zellfabriken mithilfe von Pflanzenzellkultur zu etablieren.

FNR/Emily Iversen

Video zur Spotlight-Reportage

In den letzten Jahren ist das Interesse von Forschung und Industrie an Cannabis sativa wieder deutlich aufgelebt. Studien haben verschiedene Aspekte beleuchtet, darunter sein Potenzial zur sogenannten Phytoremediation. Das ist eine umweltfreundliche Technologie, bei der Grünpflanzen eingesetzt werden, um verschmutzte Böden, Wasser und Luft zu reinigen, indem sie Schadstoffe wie Schwermetalle, Pestizide und Kohlenwasserstoffe aufnehmen, abbauen oder stabilisieren. Weitere Studien untersuchten molekulare Aspekte der Faserbildung, die Nutzung der Biomasse für Biokomposite sowie die synthetische Biologie.

Neben Studien, die die Pflanze als Ganzes untersuchten, wurden auch Aspekte wie Zell- und Organkulturen von C. sativa erforscht, zum Beispiel Zellsuspensionskulturen und sogenannte Hairy Roots. Diese Systeme ermöglichen die Massenproduktion bioaktiver Substanzen unter sterilen, vollständig kontrollierbaren und saisonunabhängigen Bedingungen.

„Meine Doktorarbeit konzentriert sich auf die Untersuchung der großen phytochemischen Vielfalt von Cannabis-sativa-Genotypen und darauf, diese mithilfe der Biotechnologie nutzbar zu machen, um den Weg für künftige Anwendungen zu ebnen. Konkret möchte ich Cannabis-Zellfabriken mithilfe der Pflanzenzellkulturtechnologie etablieren“, sagt Margaux Thiry, Doktorandin in Pflanzenbiotechnologie am Luxembourg Institute of Science & Technology (LIST).

Margaux Thiry bei der Arbeit in der Zellkultur unter sterilen Bedingungen.

Bei der Technologie, die Margaux verwendet, geht es darum dedifferenzierte Zellen zu etablieren – also Zellen, die ihre festgelegte Bestimmung verloren haben und sich mit hoher Geschwindigkeit teilen können. Dieser Ansatz wird die Kultivierung von C.-sativa-Zellkulturen in Bioreaktoren ermöglichen, die bis in den Pilotmaßstab reichen können.

Ich interessiere mich für Cannabis sativa, weil es eine vielseitig nutzbare Pflanze ist, die nicht nur lignozellulosehaltige Biomasse liefert, sondern auch bioaktive Substanzen, die für Kosmetik, Nutrazeutika und Pharma relevant sind. Die Etablierung von Cannabis-sativa-Zellfabriken wird daher mehreren Industriezweigen zugutekommen.

Margaux Thiry, Doktorandin in Pflanzenbiotechnologie am Luxembourg Institute of Science & Technology (LIST)

Cannabis Sativa-Kultur im Labor

Herausforderungen bei der Zucht von Pflanzenzellkulturen im Labor

Wenn ich die Aspekte betrachte, die mit meiner Doktorarbeit zusammenhängen, kann ich als wichtigste Herausforderungen bei der Kultivierung dedifferenzierter Cannabis-sativa-Zellen die Etablierung von Kalli nennen, die friabel sind (Anm. der Red.: eine Masse von undifferenzierten Pflanzenzellen, die lose, krümelig und weich sind). Das heißt, sie können sich in flüssigem Medium unter Rühren leicht auflösen und feine Suspensionen bilden. Sowie die Sicherstellung der Konsistenz von Charge zu Charge, sodass Kulturen, die nach demselben Protokoll vorbereitet wurden, sich hinsichtlich Biomasse- und Metabolitenproduktion gleich verhalten. Dieser letzte Aspekt erfordert eine vorgelagerte Optimierung, bei der unterschiedliche Medien und Kulturbedingungen untersucht und verglichen werden.

Margaux Thiry, Doktorandin in Pflanzenbiotechnologie am Luxembourg Institute of Science & Technology (LIST)

Eine weitere Herausforderung ist das „genetische Driften“: Kalli (Anm. der Redaktion: Masse von undifferenzierten Pflanzenzellen) werden durch wiederholte Subkultivierung aufrechterhalten und können daher im Laufe der Zeit spontane genetische Veränderungen durchlaufen. Das kann Veränderungen im Zellverhalten oder im phytochemischen Profil bedeuten.

Margaux Thiry mit Bioreaktoren im Labor. 

Kryokonservierung ist eine zusätzliche Herausforderung: Sie ist für die Langzeitlagerung unerlässlich, bringt aber inhärente Schwierigkeiten mit sich, die empirisch und nach dem Prinzip Versuch und Irrtum bestimmt werden. Nicht zuletzt stellt die Skalierung von Pflanzenzellkulturen von im Labor optimierten Bedingungen auf Bioreaktoren mit größerem Volumen eine Herausforderung dar. Zellen, die in kleinen Volumina gut wachsen, passen sich möglicherweise nicht leicht an größere Gefäße an, etwa aufgrund von Scherkräften, Sauerstofftransfer und Nährstoffverteilung. Dadurch wird die Prozessoptimierung für eine erfolgreiche Skalierung unerlässlich und zeitaufwendig.

Margaux Thiry, Doktorandin in Pflanzenbiotechnologie am Luxembourg Institute of Science & Technology (LIST)

Margaux Thiry im Labor am LIST. 

Das Ziel: Pflanzenwachstum effizienter, reproduzierbarer und stabiler machen

Margaux erklärt, dass Wissenschaftler das Wachstum von Pflanzenzellen effizienter, reproduzierbarer und stabiler machen müssen, um die Produktion wertvoller Verbindungen in Cannabis sativa zu steigern.

Dazu gehört, bessere Wege zu finden, um die Produktion wertschöpfender Verbindungen wie Cannabinoide und Flavonoide zu steigern – mithilfe des richtigen hormonellen Gleichgewichts, Mikro- und Makronährstoffen, Vitaminen sowie Elicitoren, also beispielsweise chemischen oder physikalischen Faktoren, die die Produktion sekundärer Metaboliten stimulieren oder aktivieren, typischerweise als Teil einer Abwehrreaktion. Ein klareres Verständnis davon, wie Gene diesen Prozess steuern, kann dazu beitragen, das System zuverlässiger und effizienter zu machen und den Weg für Ansätze der synthetischen Biologie zu ebnen.

Margaux Thiry, Doktorandin in Pflanzenbiotechnologie am Luxembourg Institute of Science & Technology (LIST)

In ihrer Forschung begann Margaux damit, verschiedene Cannabis-sativa-Genotypen, darunter einen kommerziellen Typ, auf ihre Fähigkeit zu untersuchen, interessante Moleküle zu produzieren. Durch die Untersuchung unterschiedlicher Genotypen konnte sie die Vielfalt der natürlichen Verbindungen erkunden, die diese produzieren, und anschließend die interessantesten auswählen. Danach konzentrierte sie sich auf den ausgewählten Genotyp, um Zellsuspensionskulturen zu etablieren und den Bioprozess in Bioreaktoren zu optimieren.

Dank des Screenings konnte ich gemeinsam mit den Forschern der Gruppe, die Experten für Metabolomik sind, das phytochemische Profil von neun verschiedenen Genotypen von C. sativa identifizieren. Derzeit arbeite ich mit den etablierten Zellkulturen des interessantesten Genotyps, um dessen Kultivierung im Bioreaktor zu optimieren und die Produktion sekundärer Metaboliten zu steigern.

Margaux Thiry, Doktorandin in Pflanzenbiotechnologie am Luxembourg Institute of Science & Technology (LIST)

Margaux Thiry ist Doktorandin in Pflanzenbiotechnologie in der Gruppe Plant Molecular Farming am Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST). Betreuer: Dr. Gea Guerriero und Prof. Stanley Lutts. Gruppenleiterin: Dr. Jenny Renaut.

Mehr zur Arbeit des Labors in diesem Video:

MEHR ÜBER MARGAUX THIRY

Ihre Forschung in einem Satz

„Die unterschiedlichen phytochemischen Profile verschiedener Cannabis-sativa-Genotypen verstehen und die Produktion hochwertiger Moleküle in Zellsuspensionskulturen optimieren.“

Über ihren wissenschaftlichen Werdegang

„Obwohl ich ursprünglich in Mikrobiologie und Immunologie ausgebildet wurde, haben mich Pflanzen schon immer fasziniert – wegen ihrer unglaublichen Anpassungsfähigkeit, ihrer Widerstandskraft und der Art und Weise, wie Menschen sie seit der Antike für praktische Zwecke genutzt haben. Nach meinem Master arbeitete ich etwa ein Jahr lang als Labortechnikerin in der Gruppe Plant Molecular Farming am LIST. Diese Erfahrung ermöglichte es mir, molekulare, technische und analytische Fähigkeiten in einem neuen Kontext anzuwenden und zeigte starke interdisziplinäre Verbindungen auf. Das hat mir sehr gefallen, und diese Erfahrungen gaben mir die Möglichkeit, meine Doktorarbeit im selben Fachgebiet und in derselben Forschungsgruppe fortzusetzen.“

Was sie als Wissenschaftlerin antreibt

„Was mich in der Forschung antreibt, ist die Begeisterung, Lösungen für biologische Fragestellungen zu entdecken und zur Innovation beizutragen. Mich motivieren die Kreativität und Neugier, die die Wissenschaft inspiriert, sowie die Freiheit, zu erkunden, Hypothesen aufzustellen und sie im Labor zu überprüfen.“

Wo sie sich in fünf Jahren sieht

„In fünf Jahren möchte ich eine Stelle finden, die es mir ermöglicht, zu Spitzenforschung in der Pflanzenbiotechnologie beizutragen, mit einer Spezialisierung auf das Metabolic Engineering von Pflanzen zur Produktion hochwertiger Moleküle für die Industrie.“

Autorinnen: Margaux Thiry (LIST) und Emily Iversen (FNR)
Redaktion: Michèle Weber (FNR)

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