Skal Danmarks landbrugsarealer i fremtiden stadig bruges til produktion af bulkprodukter eller er tiden inde til at landbruget omstiller sig til dyrkning af nicheafgrøder til produktion af specialkemikalier, medicinske stoffer og andre højværdiprodukter? Men er vi i stand til at udvikle planter eller produkter som er konkurrencedygtige på det globale marked?
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2007 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Lars Porskjær Christensen, Kai Grevsen og Martin Jensen, Aarhus Universitet, Det Jordbrugsvidenskabelige Fakultet (DJF), Forskningscenter Årslev
Hvis dansk landbrug fastholder sin produktion af bulkprodukter som korn, majs og raps vil man på længere sigt, ikke mindst på grund af de høje produktionsomkostninger, komme under hårdt pres fra det globale marked. Dansk landbrug og gartneri bør derfor i fremtiden fokusere mere på nicheafgrøder til fremstilling af højværdiprodukter som f.eks. specialkemikalier, medicinske stoffer og sundere vegetabilske fødevarer. Sådanne produkter, karakteriseret ved f.eks. dokumenteret effekt over for alvorlige sygdomme, herunder livsstilssygdomme, indbygget viden om optimale dyrkningsforhold, sortsvalg, sporbarhed, og forarbejdning, vil på sigt kunne indbringe en pris, der langt overstiger etableringsomkostninger og drift. De vil desuden i visse tilfælde være unikke og uden reel konkurrence fra det globale marked. Spørgsmålet er, om det er realistisk og muligt at producere højværdiprodukter, der enten er unikke eller som i kvalitet adskiller sig fra dem, der produceres på det globale marked, og om det er muligt, at Danmark kan blive et kommende »Pharmland«. I det følgende beskrives konkrete eksempler på mulige danske nicheafgrøder, som måske kan give et svar på dette spørgsmål.
Ginseng – en eftertragtet medicinplante
Ginsengrødder (figur 1) bliver anvendt i den traditionelle medicin i Asien og Nordamerika mod diabetes, hjertekarsygdomme, kræft, inflammation og generelt som et middel til at øge kroppens modstandskraft mod sygdomme (immunstimulerende). Desuden betragtes ginseng som et »adaptogen«, der bl.a. modvirker stress og forøger koncentrationsevnen [1,2]. Ginsengs sundhedsfremmende egenskaber er til dels blevet dokumenteret i prækliniske og/eller kliniske studier [3], og det er en af de mest eftertragtede og solgte medicinplanter i verden. Ginsengrøddernes medicinske egenskaber bliver ofte forbundet med plantens indhold af ginsenosider (dammaran saponiner) og polyacetylener, hvilket også er blevet dokumenteret i talrige videnskabelige undersøgelser. De forskellige ginsengarters ginsenosid- og polyacetylenprofil varierer, men i amerikansk ginseng (Panax quinquefolium) er det ginsenosidet Re og ginsenosider af Rg- og Rb-serien samt polyacetylenerne falcarinol og panaxydol (figur 2), der hovedsageligt er ansvarlige for den helbredsgavnlige virkning af denne type ginseng [1, 4].
Skal danske avlere kunne konkurrere med de traditionelle ginsengdyrkende lande i Asien og Nordamerika, er det nødvendigt at skabe fordele i Danmark. Fordele kan f.eks. bestå af dyrkningsteknologiske mere avancerede og mere effektive metoder, hurtigere implementering af ny viden, og ikke mindst dyrkning af mere højtydende plantemateriale af en bedre og mere defineret kvalitet.
Ved DJF, Forskningscenter Årslev er en selektion af amerikansk ginseng startet allerede i 2000 mhp. at undersøge, hvorvidt det er muligt at producere ginsengrødder i Danmark med højere udbytter og indhold af bioaktive stoffer sammenlignet med lande i Asien og Nordamerika. I foråret 2005 blev der gravet ginsengrødder op, der stammede fra de 10% største 1-årige rødder udplantet i 2000. De 50 allerstørste rødder af disse 10%, der repræsenterer de 0,5% største rødder af en oprindelig population på over 11.000 1-årige planter blev udvalgt til analyse for ginsenosider og polyacetylener. Som det ses på figur 3 er der stort set ingen sammenhæng mellem koncentration af aktivstoffer og rodstørrelse. Dette betyder, at man kan selektere for store rødder (højere høstudbytter) uden at risikere en mindre koncentration af indholdsstoffer. Spredningen i koncentrationerne i figur 3 er meget stor, ca. en faktor 2–2,5 ved samme rodvægt, og der er derfor stor mulighed for selektion af store rødder med højt indhold af aktivstoffer. Da rodvægten også varierer fra ca. 200 g til næsten 500 g i denne undersøgelse, er der altså mulighed for at selektere meget store rødder til videre avl og selektion. Kombineres de største rødder med de højeste koncentrationer af indholdsstoffer kan der teoretisk blive tale om en 4–6-dobling af udbyttet af aktivstoffer pr. plante i de bedste planter, forudsat at planterne klones eller formeres vegetativt.
Ser vi lidt nærmere på de enkelte ginsenosider, så er det primært ginsenosiderne Rb1 og Re, der øges i de rødder, der har stærkt øget totalindhold af ginsenosider. De øvrige ginsenosider ligger ret konstant og meget lavt i koncentration (figur 4). Dette betyder, at man principielt kan nøjes med at måle koncentrationen af Rb1 og Re i forbindelse med søgningen efter rødder med højere koncentrationer, hvilket vil lette arbejdet og dermed prisen for sådanne selektionsanalyser. Tilsvarende kan man nøjes med at analysere for enten falcarinol eller panaxydol, da koncentrationen af de to polyacetylener begge stiger lineært ift. totalkoncentrationen (figur 5).
Resultaterne fra projektet har vist, at man kan opnå høstudbytter > 16 tons friske rødder/ha, således at udbytterne overstiger dem, man typisk opnår i ginsengproducerende lande. Dertil kommer at der kan opnås højere koncentrationer af aktivstoffer i rødderne ved en målrettet selektion. Dette betyder, at med en videre selektion og forædlingsindsats kan der frembringes højtydende ginsengplanter af en meget høj kvalitet og dermed skabes et grundlag for en dansk nicheproduktion af ginseng.
Kinesisk malurt – en plante med mange muligheder
Kinesisk malurt (Artemisia annua) (figur 6) har været brugt som medicinplante i Kina i mere end 2000 år, hvor den bl.a. har været anvendt mod malaria. Malaria er stadig en meget alvorlig sygdom i mange tropiske lande, og den berører ca. 500 mio. mennesker pr. år, hvoraf ca. 2 mio. dør pga. sygdommen, og derfor er der et stort behov for effektive antimalariamidler. Malaria forårsages af malariaparasitter af Plasmodium-familien, der overføres til mennesker af Anopheles-stikmyg. Sidst I 1960’erne blev effekten af A. annua mod malariaparasitter genopdaget, og i 1972 blev aktivstoffet artemisinin identificeret. Artemisinin (figur 7) er en sesquiterpenlakton, der indeholder en endoperoxid-bro, som er essentiel for dets antimalaria- såvel som dets anticancer-egenskaber [5,6]. I dag er artemisinin og semisyntetiske derivater heraf, som er relativt ugiftige for mennesker, de mest effektive mod malariaparasitten, og noget tyder på, at disse stoffer også har potentiale for at blive nye effektive midler i behandlingen af visse former for cancer (figur 7).
Artemisia annua dyrkes bl.a. i Vietnam, Thailand, Myanmar, Indien, USA, Brasilien, Australien og Afrika. I Europa dyrkes den i bl.a. i Bulgarien, Ungarn og Rumænien til udvinding af æterisk olie og i Holland, Schweiz og Frankrig på forsøgsbasis til ekstraktion af artemisinin. Artemisia annua kan åbenbart dyrkes i et meget bredt bælte nord og syd for ækvator. En dansk prøvedyrkning af to A. annua sorter (»Artemis« fra Mediplant i Schweiz og en lokal vietnamesisk sort her kaldet »Vietnam«) i 2006 ved DJF i Årslev har vist, at planten udvikler sig overraskende godt i det danske klima og har givet lovende resultater mht. til høstudbytte og indhold af artemisinin. Artemisinin sidder i små kirtelhår på overfladen af bladene, som også indeholder en del æteriske olier (figur 8). Indholdet af æteriske olier varierer fra 0,02–0,5% tørvægt og artemisinin fra 0,01–1,4% tørvægt, men er afhængig af en lang række faktorer, herunder sort, klima, høsttidspunkt, forarbejdning og ekstraktion. I Vietnam, som er en verdens største leverandører af artemisinin, er indholdet typisk under 0,7% i planterne og det praktiske udbytte under 7,5 kg artemisinin/ha (Kilde: Mediplantex, Hanoi, Vietnam). Den danske prøvedyrkning gav umiddelbart et udbytte af artemisinin på mellem 0,55–0,85% tørstof afhængig af sort og høsttidspunkt samt et teoretisk udbytte på omkring 30 kg artemisinin/ha (figur 9). Ved en målrettet selektion og forædling efter øget plantetilvækst og indhold af artemisinin i plantematerialet samt optimering af høst, dyrkning, håndtering og udvikling af mere effektive og bedre forarbejdnings- og ekstraktionsmetoder er der ingen tvivl om, at man kan forbedre udbyttet af artemisinin, således at man kan tale om en rentabel dansk produktion af artemisinin.
Artemisia annua har desuden en lang række andre egenskaber, der gør den interessant at dyrke herhjemme. Dens æteriske olier vil kunne bruges i parfumer, sæber etc., og plantens antibiotiske og antiparasittære egenskaber gør den til en oplagt plante, som en slags naturlig vækstfremmer på veterinærområdet. Endelig vil plantens fiberrige stilke måske kunne finde anvendelse i byggematerialer, flis, etc. Artemisia annua har derfor potentiale til at blive en af fremtidens nicheafgrøder i Danmark.
Artemisinin i bioreaktor
Artemisinin kan syntetiseres kemisk i laboratoriet, men det er stadig en alt for kostbar proces, ligesom tilfældet er for en lang række andre interessante naturstoffer. Dyrkning af planterne til udvinding af artemisinin vil måske derfor også langt ud i fremtiden være den mest hensigtsmæssige metode til fremstilling af dette naturstof. Dog arbejder man målrettet på at kortlægge biosyntesen af artemisinin, herunder de gener, der indgår i biosyntesen af stoffet i Artemisia annua, mhp. at indbygge disse gener i gærceller og bakterier [7,8]. På den måde vil man kunne fremstille artemisinin i bioreaktorer, og dét vil til gengæld hurtigt kunne udkonkurrere dyrkningen i marken. Artemisinin er dog giftig for gærceller og bakterier, og derfor er produktion af artemisinin i bioreaktorer indtil videre kun teoretisk muligt. Det er lykkedes, at identificere enkelte gener, der indgår i biosyntesen af artmisinin i A. annua, og indsætte disse i gærceller og få dem til at producere artemisininsyre i store mængder i bioreaktorer (figur 10) [7]. Artemisininsyre kan bruges som udgangsmateriale til en semisyntetisk produktion af artemisinin. Selvom man anslår, at produktionen af artemisininsyre i en bioreaktor på ca. 1000 liter pr. dag vil svare til den mængde artemisinin, man kan udvinde fra 1 ha dyrket A. annua pr. år, så er det stadig en meget kostbar proces ift. dyrkning, idet semisyntese af artemisinin fra artemisininsyre er omkostningstung, kombineret med udgifter til bioreaktorer og affaldsproblemer forbundet med produktion i bioreaktorer [8]. Selvom det ikke kan udelukkes, at en rentabel og miljøvenlig bioteknologisk produktion af artemisinin og andre vigtige naturstoffer er mulig i fremtiden, vil der nok gå mange år, før det vil udkonkurrere en effektiv planteproduktion.
Hyben – en eksisterende nicheafgrøde
Hyben har traditionelt været brugt mod kroniske betændelsestilstande, herunder især slidgigt, og denne effekt er også blevet dokumenteret i kliniske studier [9,10]. De antiinflammatoriske egenskaber af hyben har normalt været relateret til dets høje indhold af vitamin C [11], men nyere undersøgelser tyder på, at hybens effekt mod slidgigt skyldes et antiinflammatorisk galaktolipid (figur 11), der i in vitro-studier har vist at hæmme kemotaksi af hvide blodlegemer [12]. Normalt benyttes arten Rosa canina i hybenpræparater, der normalt indeholder ca. 200 mg/kg af det aktive galaktolipid (forkortet DOTGG). Undersøgelser af mange forskellige hybenarter har dog vist, at visse arter, herunder Rosa pimpinellifolia, indeholder ca. 5 gange så meget af det aktive galaktolipid (figur 12). Der er derfor et stort potentiale i at forædle nye sorter af hyben med langt højere indhold af DOTGG og dermed til produktion af nye og bedre hybenpræparater. Da hyben allerede er en nicheafgrøde, vil introduktionen af nye sorter af bedre kvalitet give mulighed for en forøget produktion af denne afgrøde herhjemme.
Danmark som Pharmland
Eksemplerne med ginseng, kinesisk malurt og hyben illustrerer med al tydelighed, at man med en målrettet indsats vil kunne producere afgrøder af en meget høj kvalitet, og at det er realistisk at tale om en egentlig dansk produktion af nicheafgrøder til produktion af specialkemikalier, medicinske stoffer og andre højværdiprodukter. Derfor er Pharmland i Danmark ikke en illusion, men helt klart en mulighed. Spørgsmålet er blot om man er villig til at tage udfordringen op og gøre det til en realitet.
Referencer
1. Sticher, O. Getting to the root of ginseng. CHEMTECH 1998; 28: 26-32.
2. Liu, C-X., Xiao, P.-G. Recent advances on ginseng research in China. J. Ethnopharmacol. 1992; 36: 27-38.
3. Bidstrup, T., Brøsen, K., Jensen, M., Christensen, L.P., Kristiansen, K. Review of recent reported clinical effects of ginseng. DIAS report – Horticulture 2006; 32: 1–24.
4. Christensen, L.P., Jensen, M., Kidmose, U. Simultaneous determination of ginsenosides and polyacetylenes in American ginseng root (Panax quinquefolium L.) by high-performance liquid chromatography. J. Agric. Food Chem. 2006; 54: 8995–9003.
5. Golenser, J., Waknine, J.H., Krugliak, M., Hunt, N.H., Grau, G.E. Current perspectives on the mechanism of action of artemisinins. Int. J. Parasitol. 2006; 36: 1427–1441.
6. Lai, H., Singh, N.P. Oral artemisinin prevents and delays the development of 7,12-dimethylbenz[a]anthracene (DMBA)-induced breast cancer in the rat. Cancer Lett. 2006; 231: 43–48.
7. Ro, D.-K., Paradise, E.M., Quellet, M., Fisher, K.J., Newman, K.L., Ndungu, J.M., Ho, K.A., Eachus, R.A., Ham, T.S., Kirby, J., Chang, M.C.Y., Withers, S.T., Shiba, Y., Sarpong, R., Keasling, J.D. Production of the antimalarial drug precursor artemisinic acid in engineered yeast. Nature 2006; 440: 940–943.
8. Liu, C., Zhao, Y., Wang, Y. Artemisinin: current state perspectives for biotechnological production of an antimalarial drug. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2006; 72: 11–20.
9. Warholm, O., Skaar, S., Hedman, E., Molmen, H.M., Eik, L. The effects of a standardized herbal remedy made from a subtype of Rosa canina in patients with osteoarthritis: A double-blind, randomized, placebo-controlled clinical trial. Curr. Therapeutic Res. Clin. Experim. 2003; 64: 21–31.
10. Winther, K., Apel, K., Thamsborg, G. A powder made from seeds and shells of a rose-hip subspecies (Rosa canina) reduces symptoms of knee and hip osteoarthritis: A randomized, double-blind, placebo-controlled clinical trial. Scand. J. Rheumatol. 2005; 34: 302–308.
11. Kharazmi, A., Winther, K. Rose hip inhibits chemotaxis and chemiluminescence of human peripheral blood neutrophils in vitro and reduces certain inflammatory parameters in vivo. Inflammopharmacol. 1999; 7: 377–386.
12. Larsen, E., Kharazmi, A., Christensen, L.P., Christensen, S.B. An antiinflammatory galactolipid from rose hip (Rosa canina) that inhibits chemotaxis of human peripheral blood neutrophils in vitro. J. Nat. Prod. 2003; 66: 994–995.
13. Simon, J.E., Charles, D, Cebert, E., Grant, L., Janick, J., Whipkey. Artemisia annua L.: A promising aromatic and medicinal plant. I Advances in new crops, Janick, J., Simon, J.E., Eds., Timber Press, Portland, OR, 1990, p. 522–526.
Figur 1. Dansk dyrkede 7-årige ginsengrødder varierer meget i størrelse og form.
Figur 2. Eksempler på bioaktive ginsenosider og polyacetylener i ginseng.
Figur 3. Totalkoncentration af ginsenosider og polyacetylenen falcarinol ift. friskvægten af 50 selekterede rødder. Da koncentration af potentielle bioaktive indholdsstoffer ikke korrelerer med friskvægten af rødderne, er det muligt at selektere større rødder uden at kvaliteten forringes.
Figur 4. Korrelationer mellem koncentrationer af enkelt ginsenosider og totalkoncentration af ginsenosider i enkelt rødder.
Figur 5. Korrelation mellem falcarinol og panaxydol ift. totalkoncentrationen af polyacetylener.
Figur 6. Artemisia annua den 7. september i Årslev. Til venstre er det sorten »Artemis« og til højre er det den høje vietnamesiske sort »Vietnam«.
Figur 7. Artemisinin og derivater heraf såsom dihydroartemisinin, artesunat og artemether anvendes i stor udstrækning som noget af det mest effektive malariamedicin på markedet. Disse stoffer slår malariaparasitten ihjel i løbet af kort tid med få eller ingen bivirkninger, da stofferne er relativt ugiftige for mennesker. Derivaterne af artemisinin produceres ved kemisk syntese ud fra artemisinin, som angivet på figuren.
Figur 8. Artemisinin er placeret på ydersiden af plantens blade i små kirtelhår (»glandulær trichomer«) som ses i forstørret udgave på figuren. Ud over artemisinin indeholder kirtelhårerne også høje koncentrationer af æterisk olie, der overvejende består af artemisiaketon (66.7%), 1,8-cineol (5.5%), myrcen (3.8%), linalool (3.4%), b-caryophyllen (1.2%), b-pinen (0.9%), camphor (0.6%), borneol (0.2%), camphen (0.05%) og a-pinen (0.03%) [13].
Figur 9. Udvalgte resultater fra en dansk prøvedyrkning af to Artemisia annua sorter »Artemis« og »Vietnam« i 2006 ved Aarhus Universitet, DJF i Årslev ved to høsttidspunkter. (a) Udbytte af artemisinin i % tørstof og (b) udbytte af artemisinin i kg pr. ha på baggrund af planternes totalindhold.
Figur 10. Ved produktion af artemisininsyre i bioreaktor har man opreguleret flere gener i gærceller, der indgår i biosyntesen af terpener samt indsat gener fra Artemisia annua, der indgår i biosyntesen af artemisinin og resultatet er en produktion af artemisininsyre, der ved flere syntesetrin kan omdannes til artemisinin. Se reference [7,8] for mere detaljerede oplysninger om den bioteknologiske produktion af artemisininsyre.
Figur 11. Et af de potentielle aktivstoffer i hyben er et galaktolipid bestående af galaktose, glycerol og linolensyre, som måske kan forklare hybens effekt mod antiinflammatoriske lidelser som f.eks. slidgigt.
Figur 12. Rosa canina er den mest brugte hybenart mod antiinflammatoriske lidelser, men er ikke den art, der indeholder mest af det antiinflammatoriske galaktolipid (DOTGG). Rosa pimpinellifolia indeholder f.eks. ca. 5 gange så meget af DOTGG som R. canina. Der er derfor mulighed for ved forædling at forbedre indholdet af aktivstof i hybenpræparater.
