Die Zukunft des Sonnenschutzes liegt in Bakterien!

Während Menschen auf Cremes und Lotionen zurückgreifen, um sich vor der Sonne zu schützen, nutzen manche Fische seit Millionen von Jahren ihren eigenen biologischen Schutzmechanismus. Dieser Schutzmechanismus ist Gradusol, ein natürliches Molekül, das in Fischeiern und verschiedenen Meeresorganismen vorkommt und in der Lage ist, ultraviolette Strahlung zu absorbieren und die durch Sonneneinstrahlung verursachten Zellschäden zu verringern.

Forscher der Jiangnan-Universität in China haben nun einen wichtigen Schritt unternommen, um diese Verbindung für den Einsatz am Menschen nutzbar zu machen. Laut einer in der Fachzeitschrift Trends in Biotechnology veröffentlichten Studie gelang es dem Team, Gradusol mithilfe gentechnisch veränderter Bakterien nachhaltig herzustellen und so die Umwelt- und Skalierbarkeitsprobleme zu umgehen, die mit der direkten Gewinnung aus der Natur verbunden sind.

Die Forschungsergebnisse haben für Aufsehen gesorgt, da die Verbindung nicht nur als Sonnenschutzfilter, sondern auch als Antioxidans wirken könnte, dessen Eigenschaften mit denen von Vitamin C vergleichbar sind.

Wie es ihnen gelang, Gradusol im Labor herzustellen

Bislang war eines der größten Hindernisse die begrenzte natürliche Verfügbarkeit von Gradusol. Die Gewinnung aus Meeresorganismen war kostspielig, ineffizient und ließ sich nur schwer für den industriellen Einsatz skalieren.

Angesichts dieser Herausforderung wählten die Wissenschaftler einen anderen Ansatz: Sie verwandelten gewöhnliche Bakterien in kleine „biologische Fabriken“.

Das Team rekonstruierte im Bakterium Escherichia coli den Stoffwechselweg, über den Zebrafische Gradusol produzieren. Anschließend passte es sowohl die genetischen Eigenschaften dieser Mikroorganismen als auch die Kultivierungsbedingungen an, um die Produktion zu steigern.

Die Ergebnisse überraschten sogar die Forscher selbst. Die Produktion der Verbindung stieg um das 93-Fache, von nur 45,2 Milligramm pro Liter auf 4,2 Gramm pro Liter.

„Das Ziel war es, einen skalierbaren und nachhaltigen Weg zur Herstellung dieser Substanz zu finden“, erklärte Ping Zhang, der Hauptautor der Studie. Laut Zhang ist das Erreichen dieser Produktionsmengen im Labor ein vielversprechendes Zeichen für die zukünftige Entwicklung von Sonnenschutzmitteln auf Basis natürlicher Inhaltsstoffe.

Darüber hinaus zeigten Tests, dass bereits relativ geringe Mengen an Gradusol UV-Strahlen wirksam blockieren können, was sein kommerzielles Potenzial weiter stärkt.

Mehr als nur Sonnenschutz: Ein natürliches Antioxidans

Das Interesse der Kosmetikindustrie an diesem Wirkstoff beschränkt sich nicht nur auf den Sonnenschutz.

Forscher stellten fest, dass Gradusol möglicherweise auch freie Radikale bekämpft, die durch UV-Strahlung entstehen – instabile Moleküle, die die Zellen schädigen und die Hautalterung beschleunigen.

Um diese antioxidative Wirkung zu untersuchen, entwickelte das Team einen Test, der auf Farbveränderungen basiert. Im Experiment verfärbt sich ein violetter chemischer Indikator gelb, wenn Gradusol freie Radikale neutralisiert. Dank dieses Mechanismus konnten die Forscher schnell feststellen, welche Bakterienstämme die größten Mengen der Verbindung produzierten.

„Die Methode ist einfacher, effizienter und kostengünstiger als herkömmliche chemische Analysen“, sagte Ruirui Xu, Mitautor der Studie und Forscher an derselben Universität.

Die Suche nach sichereren Sonnenschutzmitteln

Die Studie erscheint zu einer Zeit, in der bestimmte Inhaltsstoffe herkömmlicher Sonnenschutzmittel zunehmend kritisch hinterfragt werden.

Verschiedene Studien haben vor möglichen negativen Auswirkungen einiger UV-Filter sowohl auf die menschliche Gesundheit als auch auf marine Ökosysteme gewarnt. Insbesondere bestehen Bedenken hinsichtlich der Hautdurchlässigkeit bestimmter Verbindungen sowie ihrer potenziellen Zelltoxizität und ihrer Auswirkungen auf den oxidativen Stress.

Vor diesem Hintergrund scheint Gradusol eine attraktive Alternative zu sein. Den Autoren der Studie zufolge sind bei diesem organischen UV-Filter keine schädlichen Auswirkungen bekannt, und er entspricht dem Wunsch der Verbraucher nach natürlicheren und nachhaltigeren Produkten.

In der Studie wurde weder die Wirksamkeit von Gradusol mit handelsüblichen Sonnenschutzmitteln verglichen, noch wurden die langfristige Sicherheit oder die industrielle Produktion in großem Maßstab untersucht. Darüber hinaus muss jede kommerzielle Anwendung die behördlichen Zulassungsverfahren durchlaufen, bevor sie auf den Markt kommt.

Dennoch bleiben die Forscher optimistisch. Xu geht davon aus, dass mit der derzeitigen Technologie die ersten Produkte auf Basis dieser Verbindung bereits in den nächsten Jahren auf den Markt kommen könnten.

„Wir hoffen, dass die Menschen über traditionelle Gewinnungsmethoden hinausblicken“, schloss Zhang. „Mikrobielle Fabriken entwickeln sich zu einer nachhaltigeren Möglichkeit, wissenschaftliche Entdeckungen in die Praxis umzusetzen.“

Quellenhinweis:

Wang J, Wang Y, Wu Q, Zhang Y. Multidimensional engineering of Escherichia coli for efficient biosynthesis of cis-3-hydroxypipecolic acid. Bioresour Technol. 2023 Aug; 382:129173. doi: 10.1016/j.biortech.2023.129173