Enzymatische Synthesemethode für Luciferin-Analoga Wenn Pestizide leuchten wie Glühwürmchen

Mit Leuchtstoffen, die denen von Glühwürmchen nachempfunden sind, wollen Forscher aus Thailand und Japan den Nachweis von Pestiziden erleichtern. Dazu haben sie eine neue Synthesemethode entwickelt, um die entsprechenden Moleküle für den Nachweis herzustellen.

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Rayong/Thailand – Landwirtschaft ist heute ein Hochleistungsgewerbe. Und als solches kommen neben Düngemitteln auch diverse Pestizide zum Einsatz, um die Ernteerträge zu maximieren. Das bringt zwar mehr Feldfrüchte auf dem Acker, ist aber nicht ohne Nebenwirkung. So gilt etwa die breite Verwendung toxischer Organophosphat-Pestizide als ernsthaftes globales Umwelt- und Gesundheitsproblem: Zum einen aufgrund akuter, oft tödlicher Vergiftungsfälle in der Landwirtschaft, insbesondere in Entwicklungsländern. Zum anderen aufgrund giftiger Pestizid-Rückstände, die sich für lange Zeit in Nahrungsketten und in Frischwasserreservoirs anreichern und z. B. Krebs, Alzheimer und Diabetes auslösen können. In der EU und den USA sind Organophosphat-Pestizide deshalb strikt reguliert.

Nachhaltiges Leuchten

Knicklichter aus Leuchtpilzen

Der übliche Nachweis per Chromatographie/Massenspektrometrie ist aufwändig, teuer und nicht für einen Einsatz in armen Ländern oder abgelegenen Regionen geeignet. Testkits sind meist unempfindlich und unzuverlässig. Ein Forscherteam aus Thailand und Japan hat jetzt einen kostengünstigen, einfachen Test entwickelt, der Organophosphat-Pestizide ohne Probenvorbereitung direkt in Lebensmitteln und biologischen Proben spezifisch und extrem sensitiv nachweist.

Farbstoffe aus der Natur nachgebaut

Ausgangspunkt für die Nachweis-Methode war eine neue enzymatische Kaskaden-Reaktion des Teams um Pimchai Chaiyen, die so genannte Help-Reaktion (Help steht für „HadA Enzyme for Luciferin Preparation“). Mit ihr lassen sich Luciferin-Analoga aus phenolischen Verbindungen herstellen, also chemische Verbindungen, die den Biolumineszenz-Farbstoffen von Glühwürmchen ähneln. Diese Insekten bilden nämlich mithilfe des Enzyms Luciferase das Substrat Luciferin, welches für das bekannte nächtliche Leuchten der Glühwürmchen verantwortlich ist.

Durch Luciferase katalysierte Biolumineszenz ist eine wichtige Methode der biochemischen Forschung und Analytik von Giftstoffen. Mit der Help-Reaktion lassen sich Luciferin-Analoga wesentlich einfacher als bisher herstellen – ohne spezielle Expertise und ohne toxische Chemikalien. Luciferin-Analoga erzeugen ein Leuchten in anderen Wellenlängen und ermöglichen es, verschiedene Zielmoleküle parallel zu detektieren. Dem Team gelang es u. a., zwei bisher unbekannte Luciferin-Analoga herzustellen. Eines erzeugt helleres, langwelligeres Licht als das Original, das Zellen und Gewebe effizienter durchdringt. Das erleichtert die Echtzeit-Bildgebung und hilft, Tierversuche zu reduzieren.

Drei Schritte zur „Erleuchtung“

Auch der neue Organophosphat-Nachweis basiert auf der Help-Reaktion und wird von den Autoren mit dem Akronym „Lumos“ benannt (Luminescence Measurement of Organophosphate and Derivatives). Dieses Verfahren umfasst drei Reaktionsschritte: Als erstes baut ein Enzym aus Bodenbakterien die Organophosphat-Pestizide und/oder deren Metabolite zu Phenol-Derivaten ab, die im zweiten Schritt durch die Help-Reaktion in Luciferin-Analoga umgesetzt werden. Im dritten Schritt werden diese genutzt, um ein Biolumineszenz-Signals durch Glühwürmchen-Luciferase zu erzeugen. Anhand der Wellenlänge lassen sich die verschiedenen Organophosphat-Pestizide unterscheiden. Das Team hat so fünf besonders toxische Pestizide, wie Parathion (E605), in Billionstel (ppt)-Konzentrationen ohne Probenvorbereitung direkt in Urin, Blutserum und Früchten nachgewiesen.

Originalpublikation: Pratchaya Watthaisong, Philaiwarong Kamutira, Dr. Chatchai Kesornpun, Vinutsada Pongsupasa, Dr. Jittima Phonbuppha, Dr. Ruchanok Tinikul, Dr. Somchart Maenpuen et al.: Luciferin Synthesis and Pesticide Detection by Luminescence Enzymatic Cascades, First published: 09 February 2022, DOI: 10.1002/ange.202116908

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