Proteine aus unnatürlichen Bausteinen „bauen“?

Synthetische Biologie als molekulare Ingenieurskunst – so wird die junge Disziplin immer wieder dargestellt. Dr. Birgit Wiltschi von der Universität Freiburg hat im Rahmen des „Ideenwettbewerbs Biotechnologie und Medizintechnik“ des Ministeriums für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg eine Förderung für ein ehrgeiziges Projekt bekommen: Sie möchte lernen, Proteine mithilfe von unnatürlichen Bausteinen so zu verändern, dass sie zum Beispiel gezielt Rezeptoren auf Krebszellen angreifen können. Wie weit ist die Technologie? Wie exakt können Biochemiker heute molekulare Maschinen aus einzelnen Bauteilen konstruieren?

Krebszellen teilen sich viel öfter als gesunde Zellen. Einer der Gründe hierfür ist eine erhöhte Sensibilität gegenüber Wachstumsfaktoren. Ein solcher Wachstumsfaktor ist der Epidermale Wachstumsfaktor (EGF), der vom Gewebe ausgeschüttet wird, um Zellwachstum anzuregen. Das Molekül bindet an den EGF-Rezeptor auf der Oberfläche einer Krebszelle und löst in ihrem Inneren eine komplizierte Signalkaskade aus, die schließlich verschiedene Gene aktiviert. Diese Gene steuern die Teilungsaktivität. Viele Tumorzelltypen weisen eine extrem erhöhte Dichte von EGF-Rezeptoren auf ihrer Oberfläche auf und lassen sich deshalb sehr leicht zur Teilung stimulieren. EGF-Rezeptoren gezielt und effektiv zu blockieren, ist bereits heute ein wichtiger Aspekt in der Tumortherapie. Dr. Birgit Wiltschi von der Arbeitsgruppe Synthetische Biologie von Prof. Dr. Wilfried Weber am Zentrum für Biologische Signalstudien (BIOSS) in Freiburg möchte genau das probieren, und zwar mit dem Methodenarsenal der Synthetischen Biologie. „Wir möchten eine neue Klasse von Inhibitoren für den EGF-Rezeptor kreieren“, sagt die Biochemikerin. „Allerdings ist das ein sehr risikobehaftetes Projekt. Im Moment wissen wir noch nicht, ob unser Ansatz zielführend ist.“

Kontrolle des Baustein-Pools

Links: Das Modell eines EGF-Moleküls mit blau hervorgehobenen synthetischen Tryptophan-Bausteinen. Rechts: Ein Modell eines natürlichen Tryptophan-Moleküls, darunter zwei Tryptophan-Varianten, bei denen an verschiedenen Stellen jeweils ein Stickstoffatom künstlich eingebaut wurde. © Dr. Birgit Wiltschi

Das Projekt, das im Rahmen des „Ideenwettbewerbs Biotechnologie und Medizintechnik“ des Ministeriums für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg für die nächsten neun Monate gefördert wird, steht am Anfang. Wiltschi und ihre Arbeitsgruppe planen, das Molekül EGF so zu verändern, dass es seinen Rezeptor auf der Oberfläche von Krebszellen blockiert und Krebszellen gegenüber dem Teilungssignal „taub“ macht. Das soll anders als heutzutage üblich nicht mithilfe von genetischer Manipulation geschehen. Gentechnisch hervorgerufene Mutationen in der kodierenden DNA-Sequenz haben oft Proteine zur Folge, die nicht mehr korrekt funktionieren. Im Fall des EGF könnte dies dazu führen, dass das Peptidmolekül gar nicht mehr an seinen Rezeptor bindet. Wiltschi und ihr Team wollen einen Schritt später in der Produktion des EGF in der Zelle ansetzen: Während die Aminosäuren zum Polypeptid zusammengebaut werden. Die Forscher können auf diese Weise Aminosäuren einpassen, die die Zelle sonst nicht verwendet. Diese unnatürlichen Proteinbausteine unterscheiden sich in ihrer Struktur oft nur minimal von dem jeweiligen natürlichen Baustein – oftmals sind lediglich einzelne Atome ausgetauscht. Sie haben aber genau die gewünschten Eigenschaften.

E.-coli-Bakterien im Elektronenmikroskop © Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH

Um das zu erreichen, verwenden Wiltschi und ihr Team einen Ansatz, der bereits seit den 1950er Jahren bekannt ist, aber erst in den letzten Jahren Bedeutung für die Produktion von synthetischen Proteinen gefunden hat. Sie stellen EGF in E.-coli-Bakterienzellen her, die mehrere Aminosäuren, die sie zur Proteinbiosynthese benötigen, nicht selbst herstellen können. Im Labor wachsen und produzieren sie Proteine nur, wenn Forscher ihnen das fehlende Rohmaterial künstlich zuführen. „Dadurch haben wir die Kontrolle darüber, welche Aminosäuren die Organismen in ihre Proteine einbauen“, sagt Wiltschi. Denn die Forscher können statt der normalen, für die Proteinbiosynthese verwendeten Aminosäuren, auch synthetisch veränderte Aminosäuren zum Medium zusetzen. Durch die minimalen Strukturunterschiede zwischen den synthetischen und den natürlichen Bausteinen bleibt die dreidimensionale Struktur der so modifizierten Proteine weitgehend unverändert. Einige der unnatürlichen Bausteine haben aber außergewöhnliche chemische Eigenschaften, die die biologische Funktion der synthetischen Proteinvarianten nachhaltig verändern können. Möglicherweise auch so, dass EGF an seinen Rezeptor bindet und seine Funktion stört, anstelle ihn zu aktivieren.

Ein Trojanisches Pferd oder Zukunftsmusik?

Links: das Modell eines GFP-Moleküls mit grün hervorgehobenen synthetischen Prolin-Bausteinen. Rechts: Ein Modell eines natürlichen Prolinmoleküls, darunter eine Prolinvariante, bei der an einer Stelle künstlich ein Fluoratom eingebaut wurde. © Dr. Birgit Wiltschi

Dass dieser Ansatz prinzipiell funktioniert, konnten Wiltschi und ihre Mitarbeiter bereits an anderen Beispielproteinen zeigen. Es gelang ihnen etwa, sämtliche Proline im Grün Fluoreszierenden Protein (GFP) durch minimal veränderte, synthetische Prolinderivate zu ersetzen. Bei diesen Aminosäuren ist lediglich an einer Stelle Wasserstoff durch Fluor ausgetauscht. Die Folge war, dass das modifizierte GFP sich wesentlich schneller und effizienter in die korrekte räumliche Struktur faltete. „Die Struktur des Proteins bleibt gleich, aber die an bestimmten Stellen im GFP sitzenden modifizierten Prolin-Moleküle verändern die Faltungseigenschaften des Gesamtmoleküls“, sagt Wiltschi. „Darin liegt der ganze Zauber – und das Potenzial – der Technologie.“

Das Prinzip soll nun auch dabei helfen, die chemischen Eigenschaften von EGF-Molekülen entsprechend zu manipulieren. Gelingt das, dann wäre es möglich, dass der EGF-Rezeptor das modifizierte EGF nicht von natürlichem EGF unterscheiden kann. Trotzdem würde er möglicherweise blockiert, sodass die Signalkaskade in Krebszellen und damit deren unkontrollierte Teilung nicht mehr in Gang kommen können. Denkbar wäre es sogar, dass die Forscher es schaffen, Aminosäuren mit toxischer Wirkung einzubauen. Damit würde das EGF zu einer Art Trojanischem Pferd, das an Krebszellen andocken und sie dann zerstören kann. „Ob das alles möglich sein wird, muss sich noch erweisen“, sagt Wiltschi. „Momentan ist das noch reine Zukunftsmusik.“

Die Synthetische Biologie ist noch sehr jung. Bisher haben Forscher ausgewählte Techniken an Modellsystemen ausprobiert und lediglich gezeigt, dass es Anwendungsmöglichkeiten geben könnte. Zu wenig ist zum Beispiel darüber bekannt, welche molekularen und zellulären Mechanismen überhaupt den Einbau von Aminosäureanaloga in Proteine erlauben. In welchen Bereich innerhalb einer Zelle wandern die künstlichen Varianten? Was genau passiert dort mit ihnen? Nehmen sie am Stoffwechsel der Zelle teil und wenn ja, welche Enzyme sind beteiligt? Die Mechanismen besser zu verstehen, ist laut Wiltschi essenziell. Denn nur so können Wissenschaftler irgendwann ganz gezielt Prozesse in der Zelle mithilfe von Synthetischer Biologie steuern und für ihre Bedürfnisse ausnutzen. Um das Potenzial der Technologie auch für die Krebsforschung auszunutzen, muss noch viel Grundlagenarbeit geleistet werden.

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