Einen vielversprechenden alternativen Produktionsweg hat nun ein Forschungsteam um Dr. Markus Napirei an der Ruhr-Universität Bochum gefunden: Erstmals konnte humane DNase1 in Hefezellen hergestellt werden. Die Ergebnisse der mehrjährigen Forschungsarbeit wurden am 29. April 2025 in der Fachzeitschrift PLOS One veröffentlicht.

„Das ist das Ergebnis mehrjähriger Arbeit und könnte einen Grundstein zur Herstellung humaner DNase1 in Hefe als Biologikum legen“, freut sich Markus Napirei von der Abteilung für Anatomie und Molekulare Embryologie unter der Leitung von Prof. Dr. Beate Brand-Saberi.

Hefe als Biologika-Fabrik

Als Produktionsplattform diente der Hefepilz Pichia pastoris, der sich bereits in der biotechnologischen Herstellung therapeutischer Proteine bewährt hat. Der genetische Bauplan des Zielproteins wird dabei über ein künstlich erzeugtes DNA-Molekül per Elektroporation in die Hefezellen eingebracht. Diese integrieren das Konstrukt stabil in ihr Genom, lesen es aus und synthetisieren das gewünschte Protein.

„Vorteile der Hefe gegenüber Säugerzellen sind kostengünstige Kulturbedingungen, eine hohe Reproduktionsrate ohne die Notwendigkeit der Zell-Immortalisierung sowie eine geringere Anfälligkeit gegenüber Pathogenen“, erläutert Napirei.

Im Rahmen der Promotionsarbeit von Jan-Ole Krischek, betreut von Markus Napirei und Prof. Dr. Hans Georg Mannherz, gelang es erstmals, humane DNase1 in Pichia pastoris zu exprimieren, zu reinigen und biochemisch zu charakterisieren.

Überraschung bei der Produktion

Ein überraschendes Ergebnis der Studie: Die Hefe produzierte deutlich weniger humane DNase1 als die vergleichbare Maus-DNase1, obwohl die beiden Proteine in ihrer Aminosäuresequenz zu 82 Prozent übereinstimmen.

„Das liegt unter anderem am individuellen Faltungsverhalten der beiden verwandten Proteine“, so Napirei.

Interessanterweise zeigt die Maus-DNase1 in ihren biochemischen und funktionellen Eigenschaften teilweise Vorbildcharakter für die Entwicklung neuer pharmakologischer Varianten der humanen DNase1.

Ein vielseitiges Enzym

DNase1 ist ein körpereigenes Enzym, das zellfreie DNA in Körperflüssigkeiten zerkleinert, sodass diese abgebaut oder recycelt werden kann. Solche DNA entsteht unter anderem bei Zelluntergängen oder durch Mikroorganismen und kann Entzündungen und andere pathologische Prozesse auslösen. Bei Mukoviszidose etwa verflüssigt die inhalativ verabreichte DNase1 den zähen, DNA-haltigen Bronchialschleim und erleichtert so das Abhusten.

Darüber hinaus könnte das Enzym bei weiteren Erkrankungen therapeutisch eingesetzt werden: So spielt DNase1 eine zentrale Rolle beim Abbau sogenannter Neutrophil Extracellular Traps (NETs) – DNA-basierter Strukturen des Immunsystems zur Abwehr bakterieller Erreger. Bei schweren Infektionen, etwa mit SARS-CoV-2, oder bei Sepsis kann deren übermäßige Bildung jedoch zu Mikrothromben führen, die reich an DNA sind.

„Es könnte sinnvoll sein, DNase1 einzusetzen, um diese DNA-haltigen Mikrothromben besser aufzulösen“, erklärt Napirei.

Auch bei ischämischen Schlaganfällen wird der Einsatz des Enzyms untersucht. Klinische Studien evaluieren derzeit die Wirksamkeit von DNase1 zur Auflösung von Thrombosen in Hirnarterien.

Mit der erfolgreichen Expression in Hefe könnte das Enzym künftig nicht nur günstiger, sondern auch in größerem Maßstab produziert werden – ein vielversprechender Schritt für die therapeutische Anwendung der DNase1.

Originalpublikation:
Krischek, J.-O., Mannherz, H. G., & Napirei, M. (2025). Different results despite high homology: Comparative expression of human and murine DNase1 in Pichia pastoris. PLOS ONE, 20(5), e0321094. DOI: 10.1371/journal.pone.0321094

Quelle: Ruhr-Universität Bochum