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Daniel Summerer: Neue Wege zur Biosynthese funktional erweiterter Proteine

Die Kommunikation zwischen Proteomen und dem Nukleinsäure-Code bildet die Basis für jeden biologischen Prozess. Sie ist der Schlüssel zur Expression, Modifikation und Verteilung der im Genom gespeicherten Informationen. So spielt sie auch eine zentrale Rolle bei der Entstehung von Krankheiten. Daher ist die Fähigkeit, Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Nukleinsäuren in ihrer natürlichen Umgebung zu studieren und zu modellieren, von besonderer Bedeutung - etwa für die Identifikation und molekulare Erkennung neuer Wirkstoffziele in der Behandlung von Krebs und Infektionskrankheiten. Dr. Daniel Summerer befasst sich an der Universität Konstanz mit dem Design funktional erweiterter Proteine und Peptide durch ribosomalen Einbau unnatürlicher Aminosäuren. Dies ermöglicht die Einführung neuer chemischer Funktionen in Proteine in lebenden Zellen.

Dr. Daniel Summerer, Chemiker an der Universität Konstanz © Michael Latz

Biologische Prozesse finden ihren Ursprung in der Kommunikation zwischen Proteinen und Nukleinsäuren. Das Design neuer molekularer Funktionen an dieser Schnittstelle eröffnet neue Wege in der synthetischen Biologie wie etwa für das Wirkstoff-Design. „Die große Zahl an Wirkstoffen, die zelluläre Nukleinsäuren als Ziel haben, wie etwa Antitumor-Wirkstoffe und mehrere Klassen weit verbreiteter Antibiotika, illustrieren die zentrale Rolle solcher Wechselwirkungen“, erklärt Dr. Daniel Summerer, Chemiker an der Universität Konstanz. Mit seinem Team arbeitet er an neuen Methoden, die die Aufklärung der genauen Funktionen bestimmter Protein-Nukleinsäure-Komplexe ermöglichen oder das Design neuer, peptidbasierter Wirkstoffe erlauben, die die Funktion pathogener Nukleinsäuren inaktivieren.

Vorteile unnatürlicher Aminosäuren nutzen

Hierfür macht Summerer sich Strategien zunutze, die die Biosynthese von Proteinen mit unnatürlichen Aminosäuren in lebenden Zellen mit erweitertem genetischen Code ermöglichen: Natürliche Organismen verfügen für den Aufbau ihres Proteoms über ein nur begrenztes Repertoire von Aminosäurefunktionen. Diese weisen zudem noch eine beträchtliche Redundanz in Bezug auf ihre chemischen, funktionellen Gruppen auf. „Das ist erstaunlich, denn auf Codon-Ebene existiert generell ein deutlich höheres Speicherpotenzial, das jedoch nicht genutzt wird. Es könnten somit prinzipiell zusätzliche Aminosäuren in der ribosomalen Biosynthese verwendet werden, die Proteine oder endogene Peptide mit vollkommen neuen, von Chemikern gezielt entworfenen Funktionen ausstatten“, berichtet Dr. Summerer. Dieser Ansatz erlaubt bereits die Einführung unterschiedlicher unnatürlicher Aminosäuren in Proteine. Erste Studien, die Dr. Summerer in der Arbeitsgruppe von Prof. Peter G. Schultz am Scripps Research Institute, Kalifornien, durchführte, zeigten, dass solche unnatürlichen Aminosäuren für die Erzeugung neuartiger Funktionen im Zusammenspiel zwischen Proteinen und Nukleinsäuren genutzt werden können. „Es ist uns beispielsweise gelungen, die Aktivität eines DNA-bindenden Transkriptionsfaktors über einen artifiziellen, lichtgesteuerten Transportprozess zwischen Zellkern und Cytoplasma zu regulieren, der auf einzelnen, photoaktivierbaren Aminosäuren beruht“, so Summerer.

Fluoreszenzmikroskopiebild von Hefezellen: An einer bestimmten Aminosäureposition ist eine photoaktivierbare Aminosäure markiert. Im linken Bild befindet sich diese im Zellkern, im rechten im Cytoplasma © Edward A Lemke, Daniel Summerer, Bernhard H Geierstanger, Scott M Brittain & Peter G Schultz

Generalisierung und Flexibilisierung der Biosynthese von Wirkstoffen

Diese generelle Strategie soll nun erweitert werden, um neue Möglichkeiten im Design von Wirkstoffen zu eröffnen: Ein großer Teil aktuell verwendeter Medikamente mit zum Beispiel antibakterieller, antiviraler oder tumorhemmender Wirkung sind Naturstoffe, die von Mikroorganismen über komplexe Stoffwechselwege synthetisiert werden, wie etwa die weit verbreiteten nichtribosomalen Peptide (NRP). Obwohl diese prinzipiell wie ribosomal synthetisierte Peptide aufgebaut sind, unterscheiden sie sich im Hinblick auf ihr Potenzial als Wirkstoffe erheblich: „Zum einen ist das Repertoire von chemischen Modifikationen und verwendeten Aminosäuren von NRP um ein Vielfaches höher als das von ribosomalen Peptiden, was z.B. in deutlich vielseitigeren Bindungsmöglichkeiten sowie größerer Stabilität resultiert und ihre Affinität und Selektivität durch Präorganisation erhöhen kann“, fasst Summerer zusammen. Auf der anderen Seite sind dem Konstanzer Forscher zufolge die Biosynthesewege solcher Naturstoffe sehr komplex und nicht universell, das heißt sie finden nur in ganz bestimmten Organismen statt. Diese sind oft nicht oder nur schwer kultivierbar und lassen keine oder nur geringe Veränderungen der Biosynthesewege zu. „Das erschwert die Herstellung solcher Wirkstoffe, insbesondere aber verhindert es ein effizientes Design neuer Wirkstoffe, die vor dem Hintergrund sich entwickelnder Wirkstoffresistenzen dringend notwendig sind“, erläutert Dr. Summerer.

Alternativansatz verknüpft zwei Biomolekül-Klassen

Sein Alternativansatz besteht darin, ribosomale Peptide mit NRP-Schlüsselstrukturen über den Einbau unnatürlicher Aminosäuren funktional zu erweitern und so die Vorteile beider Biomolekül-Klassen zu verknüpfen: Die funktionalen Limitationen ribosomaler Peptide werden überwunden, gleichzeitig werden hocheffiziente Strategien für das Design neuer Wirkstoffe mit erweiterter Funktionalität möglich. Die Forscher möchten dabei zum Beispiel Aminosäuren mit größeren aromatischen Gruppen genetisch kodieren, welche starke Wechselwirkungen mit ebenfalls aromatischen Nukleobasen von DNA und RNA durch sogenannte Stapelungs- oder Interkalationsinteraktionen ermöglichen. „Dieses Bindungsprinzip ist der Schlüssel der Bioaktivität vieler Naturstoffe, kommt aber in ribosomalen Peptiden nicht vor und würde neue Möglichkeiten in der Erkennung von Nukleinsäure-Targets eröffnen“, fasst Dr. Summerer zusammen. Durch die direkte genetische Kodierung der Strukturen können dann Methoden der gerichteten molekularen Evolution verwendet werden, die für Peptide und Proteine zur Verfügung stehen. Mit diesen können im Gegensatz zur üblichen individuellen Testung einzelner Wirkstoffkandidaten große Diversitäten im Bereich von hunderten Millionen von potenziellen Wirkstoffen sehr einfach biosynthetisch erzeugt werden und Zielmoleküle effizient aus diesen Mischungen angereichert werden. Zudem werden Herstellungsprozesse in etablierten Labororganismen möglich.

Die nächsten Stufen der synthetischen Biologie

Im weiteren Interesse des Konstanzer Chemikers steht auch das Design artifizieller, endogener Genschalter, die zelluläre Nukleinsäuren auf andere Weise erkennen als natürliche Proteine das tun. Auf diese Weise will er zum Beispiel die Wirkung natürlicher Proteine verstärken oder bestimmte Punkte im Genom oder Transkriptom mit unnatürlichen Proteinen effizient inaktivieren. So würde es gelingen, regulatorische Mechanismen für die synthetische Biologie zu entwickeln und die Funktion bestimmter genomischer Orte aufzuklären. Zusammen mit seinem Team ist Dr. Daniel Summerer auf der Suche nach industriellen Partnern, die im Bereich der Wirkstofftestung eine Kooperation eingehen würden.

Zur Person:
Sein Studium der Chemie begann Dr. Daniel Summerer 1994 in Bonn. Während seiner Dissertation 2004 forschte er im Bereich der chemischen Biologie von Protein-Nukleinsäure-Komplexen, die für die Replikation des Genoms verantwortlich sind. Nachdem er seinen Doktorgrad erreicht hatte, führte ihn sein Weg zum Scripps Research Institute, La Jolla, USA, wo er sich mit der Erweiterung des genetischen Codes durch Neu-Design der RNA-Translationsmaschinerie beschäftigte. Ab 2007 war er als Head of Application Development „Enzyme-on-Chip-Technologies“ in einem Heidelberger Biotechnologieunternehmen in der Genomforschung tätig. Seit 2011 ist er Mitglied des Zukunftskollegs an der Universität Konstanz.

Glossar

  • Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen.
  • Ein Antibiotikum ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), das in geringen Konzentrationen andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum hemmt.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Ein Codon oder Basentriplett ist eine Abfolge von drei Basen der DNA bzw. mRNA, die die Information für eine Aminosäure oder ein Stopsignal enthält. Insgesamt gibt es 64 verschiedene Codons.
  • Das Zytoplasma (Zellplasma) ist der lichtmikroskopisch betrachtet mehr oder weniger unstrukturierte Teil einer Zelle.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Nukleinsäure ist der Oberbegriff für DNA und/oder RNA.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Pathogenität ist die Fähigkeit, eine Krankheit zu verursachen. Man unterscheidet zwischen human-, tier- und pflanzenpathogenen Erregern, die eine Krankheit spezifisch bei Mensch, Tier oder Pflanze hervorrufen.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Replikation ist der biologische Fachbegriff für die Verdoppelung der DNA-Doppelhelix.
  • Das Ribosom ist Protein-Nukleinsäurekomplex zur Proteinbiosynthese unter Verwendung von mRNA als Vorlage.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Translation im biologischen Sinn ist der Prozess, bei dem die Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz des Proteins übersetzt (translatiert) wird. Dieser Vorgang findet an den Ribosomen statt. Nach der Vorlage eines einzigen mRNA-Moleküls können zahlreiche Proteinmoleküle synthetisiert werde
  • Ein Virus ist ein infektiöses Partikel (keine Zelle!), das aus einer Proteinhülle und aus einem Genom (DNA oder RNA) besteht. Um sich vermehren zu können, ist es vollständig auf die Stoffwechsel der lebenden Zellen des Wirtsorganismus angewiesen (z.B. Bakterien bei Phagen, Leberzellen beim Hepatitis-A-Virus).
  • Ein Peptid ist eine organisch-chemische Verbindung, die aus mehreren Aminosäuren (AS) besteht, die miteinander zu einer Kette verbunden wurden. Die Aminosäuren sind über Peptidbindungen miteinander verknüpft. Als Peptide bezeichnet man relativ kurze Aminosäurenketten (20 - 100 Aminosäuren), dagegen bezeichnet man längere Aminosäurenketten (>100) als Proteine.
  • Das Proteom ist die Gesamtheit aller zu einem bestimmten Zeitpunkt unter definierten Bedingungen vorhandenen Proteine in einem Lebewesen, einem Gewebe oder einer Zelle.
  • Ein Transkriptionsfaktor ist ein Protein, dass die Herstellung einer RNA-Kopie eines Gens (Transkription) steuert. Transkriptionsfaktoren binden an bestimmte Sequenzen auf der DNA und interagieren mit der RNA-Polymerase, die dadurch ihre Transkriptionsaktivität verändert.
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Als Target (engl.:Ziel) werden Biomoleküle bezeichnet, an die Wirkstoffe binden können. Targets können Rezeptoren, Enzyme oder Ionenkanäle sein. Die Interaktion zwischen Wirkstoff und Target löst eine Wirkstoff-Target-spezifische Reaktion aus. Die Identifikation eines Targets ist für die biomedizinische und pharmazeutische Forschung von großer Bedeutung. Erkenntnisse über spezifische Wechselwirkungen helfen grundlegende molekularbiologische Vorgänge zu verstehen und neue Angriffpunkte für Arzneimittel zu identifizieren.
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