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Hendrik Küpper – Im Dienste von Pflanze und Mensch

Seine ersten erfolgreichen Erfahrungen als Wissenschaftler machte Prof. Hendrik Küpper, als er 1992 gemeinsam mit seinem Bruder und einem Freund beim „Jugend forscht“-Projekt Bundessieger in Biologie und Europasieger bei den Wettbewerben "Young Europeans' Environmental Research" und "European Community Contest for Young Scientists" wurde. Schon damals befasste er sich mit der Wechselbeziehung von Schwermetallen und Pflanzen. Heute liefert er an der Universität Konstanz wichtige Erkenntnisse gegen die weltweit fortschreitende Bodenverschmutzung durch Zink, Kupfer und Co.

Prof. Dr. Hendrik Küpper © privat

Die Landwirtschaft in Europa stellt eine der Hauptquellen für die Schwermetallbelastung der Umwelt dar. Zink- und Kupfersalze werden immer noch als Pestizide eingesetzt, und das nach deren Einsatz von Feldern in Bäche ablaufende Wasser ist für empfindliche Wasserpflanzen sogar tödlich. Daneben können Cadmium, Nickel oder Eisen in hoher Konzentration generell für ein verlangsamtes Pflanzenwachstum sorgen und schwächen beispielsweise die Produktion von Phytoplankton, das vielen am Boden von Binnengewässern und Meeren lebenden Tieren als Nahrungsgrundlage dient. Insbesondere wirken toxische Schwermetall-Konzentrationen, wie sie in verschmutzten Gewässern und Böden vielfach vorkommen, hemmend auf die Fotosynthese ein, z.B. durch Austausch des natürlichen Zentralions des Chlorophylls, das als wichtiger Angriffspunkt fungiert.

Für Prof. Hendrik Küpper, der sich in erster Linie mit dem Transport, der Toxizität und der Entgiftung von Schwermetallen in Pflanzen beschäftigt, stellt diese Wechselbeziehung eine durchaus komplexe dar: „Auf der einen Seite werden die meisten Metalle, darunter auch viele Schwermetalle, im Stoffwechsel als Spurenelemente gebraucht. Denn sie ermöglichen erst die Funktion von vermutlich rund einem Drittel aller Enzyme. Zum Beispiel ist eine völlige Abwesenheit von Kupfer tödlich. Andererseits passiert aber viel unerwünschtes Toxisches, wenn größere Mengen Schwermetall einwirken“, erklärt der Konstanzer Wissenschaftler. Generell wird die Hemmung umso unspezifischer, je höher die Konzentration ist. Bei geringen, aber immer noch toxischen Konzentrationen ist die Hemmung folglich spezifischer. „Dann hängt der Ort der Hemmung von der Art des Metalls und seinen verschiedenen chemischen Eigenschaften ab“, so der Pflanzenphysiologe. Auch Umweltbedingungen, wie etwa der pH-Wert und vor allem Lichtintensität und -zyklus, spielen dabei eine Rolle.

Metall-Aufnahme erfolgt durch Pumpmechanismen

In der Vergangenheit konnte Prof. Hendrik Küpper mit seiner Forschungsarbeit zur Aufklärung des Mechanismus der schwermetallinduzierten Hemmung beitragen. Dabei entdeckte er vor allem, dass und auf welche Art und Weise der Austausch von Magnesium im Chlorophyll durch Schwermetall-Ionen die Fotosynthese schwächt und dass dies schon bei sehr kleinen Konzentrationen, zum Beispiel von Kupfer stattfindet. Die Schwermetall-Ionen gelangen dabei über die normalen (der Ernährung dienenden) Transportwege in die Pflanze und in die Chloroplasten, können dann aber wegen Überlastung der Regulation nicht mehr in Enzyme eingebaut oder entgiftet werden. Statt dessen reagieren sie nun unkontrolliert mit Molekülen, an die sie von ihrer Chemie her stark binden: In den Chloroplasten sind insbesondere die Chlorophylle Hauptangriffspunkte unerwünschter Bindung. Nach dem Austausch des Magnesiums gegen das Schwermetall-Ion sind die Chlorophylle aufgrund ihrer veränderten chemischen und physikalischen Eigenschaften nicht mehr zur Energiegewinnung in der Fotosynthese brauchbar, und hemmen sogar die fotosynthetische Energiegewinnung über die verbliebenen Magnesium-Chlorophylle.

Bei der Aufnahme der Metalle in den pflanzlichen Organismus werden diese durch spezifische Transportproteine in die Leitgefäße der Wurzeln und des Sprosses hineingepumpt, nach dem Transport (oft gebunden an spezifische Liganden) dort wieder heraus und in die Zielzellen. „Jede Überquerung einer Membran braucht eine spezifische Pumpe“, erklärt Prof. Hendrik Küpper. Im Zielbereich der Zelle angekommen werden die Metalle, wenn sie als aktive Zentren in Enzyme eingebaut werden sollen, oft durch spezielle andere Proteine (Chaperone) dort hineinbefördert.

Links oben: EDX-Scan (Ni Kα-Linie) der Nickel-Verteilung in einem Blatt von Alyssum lesbiacum. Rechts oben: Heterogenität der Fotosynthese in Cadmium-gestresstem Thlaspi caerulescens (ein Cd-Hyperakkumulator, der am Beginn des Wachstums auf Cd-haltigem Medium aber Cd-Stress zeigt). Links unten: Kupfer-Chlorophyll (struktureller Unterschied zu Mg-Chl: das Zentralion ist nur über die 4 Stickstoffe des umgebenden Porphyrin-Ringes gebunden, während Mg noch je einen Liganden (Protein oder Lösungsmittel) darunter und darüber hat. Rechts unten: Vergleich des Wachstums Cu-resistenter (links) und Cu-sensitiver (rechts) Individuen des Cadmium/Zink-Hyperakkumulators Thlaspi caerulescens auf Nährlösung mit 10 mikromolar (µM) Kupfer. © Hendrik Küpper

Pflanzen setzen sich mit cleveren Abwehrstrategien zur Wehr

Nicht alle Spezies sind den folgenschweren hohen Konzentrationen an Schwermetallen völlig ausgeliefert. Viele Pflanzen verfügen über schützende Gegenmechanismen. Dabei kommt es zum Beispiel zum Ausschluss der Schwermetalle aus dem Stoffwechsel, unter anderem durch Abdichten der Wurzeln (Lignifizierung) oder durch aktives Herauspumpen. Starke Liganden binden Schwermetalle in sensitiven Teilen der Pflanze beziehungsweise einer Zelle und verhindern somit unerwünschte Reaktionen. „Ein anderer Weg ist die Einlagerung der Schwermetalle in wenig sensitive Gewebe der Pflanze und wenig sensitive Kompartimente der Zellen durch aktives Pumpen“, erklärt Küpper.

Weit weniger als ein Prozent der Pflanzenarten gelten Küpper zur Folge nicht nur als resistent gegen Schwermetalle, sondern sind in der Lage, diese auch noch aktiv bis zu einigen Prozent ihrer Trockenmasse anzureichern. Man spricht von den sogenannten Hyperakkumulatoren. „Das interessante ist, dass sie extreme Mengen anreichern, ohne sich dabei selbst zu vergiften“, betont der Pflanzenphysiologe. Küpper fand heraus, dass diese Hyperakkumulatoren sich vor allem durch eine sehr effiziente Einlagerung der Metalle in große Speicherzellen der Blatthaut (Epidermis) schützen. Die extreme, bis zu einem Mol Schwermetall reichende Anreicherung in den Speicherzellen kommt durch eine extrem erhöhte Synthese (Expression) von spezifischen Transportproteinen zustande, von denen in Küppers Arbeitsgruppe derzeit eines biochemisch charakterisiert wird.

Während die biologische Funktion der Hyperakkumulation von giftigen Schwermetallen die Abwehr von Fraßfeinden und Krankheitserregern ist, stellt sie für den Menschen eine kostengünstige Möglichkeit dar, geringe bis mittlere Schwermetall-Belastungen (vor allem durch Cadium) so weit zu entfernen, dass Landwirtschaft nach einigen Jahren wieder gefahrlos möglich ist. In einigen Gebieten (z.B. Afrika und USA) werden Nickel-Hyperakkumulatoren auch zur kommerziellen Erzgewinnung („Phytomining“) eingesetzt.

Arbeitsausstattung aus der eigenen Schmiede

Bei der Untersuchung der Beziehung von Schwermetallen und Pflanzen arbeiten Prof. Hendrik Küpper und sein Team überwiegend mit biophysikalischen Methoden (u.a. verschiedene Arten von Licht- und Röntgen-Spektroskopie) insbesondere in mikroskopischen, lebenden und nicht durch Präparation zerstörten Zellen bzw. Geweben. „Wir operieren auch mit biochemischen und molekularbiologischen Verfahren“, so der Pflanzenphysiologe. Zum Einsatz kommen dabei viele Geräte, z.B. Röntgenspektrometer (Röntgenemissions-Spektroskopie EDX am Rasterelektronenmikroskop, "Beamline" für Röntgenabsorptions-Spektroskopie XAS am Synchrotron) sowie UV/VIS-Spektrometer.

Dabei verwendet der Konstanzer Biologe auch ein selbst entwickeltes Fluoreszenz-Kinetik-Mikroskop. Dieses Gerät erlaubt es, an lebenden Zellen schnelle zeitliche Veränderungen (=Kinetiken) der Fluoreszenz und/oder Absorption mit räumlicher und spektraler Auflösung zu messen. Dies kann z.B. eine Messung der Photosynthese-Biophysik sein, wofür das Gerät ursprünglich entwickelt wurde, aber auch eine Messung z.B. der Metallaufnahme oder der Bildung reaktiver Sauerstoff-Spezies. Eine verlässliche, die Zellen nicht schädigende und gleichzeitige Messung dieser Vorgänge auf mikroskopischer Ebene war zuvor nicht möglich. Eine für diese In-vivo-Messungen entscheidende Eigenschaft ist dabei, dass mit viel (je nach Vergleich etwa 10 bis 10.000 x) weniger Licht als bei normalen Lichtmikroskopen gemessen werden kann, was durch ein spezielles Beleuchtungssystem und eine darauf abgestimmte Mess-Kamera erreicht wird.

Auch andere Organismen profitieren

Küppers Aufklärung der generellen Prinzipien und Mechanismen sind auch mit medizinischer Relevanz behaftet, denn die am Schwermetall-Transport beteiligten Proteine kommen auch beim Menschen vor. So können die Erkenntnisse für die Erforschung und Behandlung von tödlichen Erkrankungen wie z.B. der Menkes- und Wilson-Krankheit genutzt werden, die auf Mutationen in Kupfer transportierenden Enzymen zurückzuführen sind.

Zu den nächsten Forschungsvorhaben des Pflanzenphysiologen gehört vor allem die weitere Aufklärung der Mechanismen des Transports der Metalle, aber auch ein Vergleich der Relevanz verschiedener Toxizitäts-Mechanismen, da dort noch die meisten Fragen offen sind. Aufgrund der biotechnologischen Anwendbarkeit seiner bisherigen Erkenntnisse zur Verbesserung der Bodenentgiftung (Phytoremediation) und Erzgewinnung (Phytomining) durch Hyperakkumulator-Pflanzen hat der Forscher in der Vergangenheit bereits Förderung vom Fonds der chemischen Industrie (FCI) und auch einzelnen Unternehmen erhalten. Wie er erklärt, seien „spannende Kollaborationen mit der Industrie höchst interessant und sehr willkommen“.

Zur Person:
Prof. Hendrik Küpper studierte von 1994-1998 Biologie an der Universität Konstanz. Nach mehreren Forschungspraktika - unter anderem am Institut für Mikrobiologie der Tschechischen Akademie der Wissenaschaften in Třeboň (Tschechien) und am IACR-Rothamsted (Rothamsted Experimental Station) im englischen Harpenden -, wobei er in Tschechien auch den größten Teil seiner Diplom- und Doktorarbeit durchführte, promovierte er 2001 in Konstanz. Seine Postdoktorandenzeit verbrachte er in der Arbeitsgruppe Bioanorganische Chemie der Universität Konstanz und vor allem (August 2002 bis Juli 2004) an der Cornell University (USA), an der er im „Plant, Soil and Nutrition Laboratory“ beschäftigt war. Seit August 2004 ist er Juniorprofessor an der Universität Konstanz.

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