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Gezielt Zellvorgänge steuern

Ein Steuerungssystem wäre gut, mit dem man Prozesse im Zellinneren von außen ein- und ausschalten kann. Etwas ähnliches hat jetzt eine Gruppe von Studenten unter der Betreuung von Juniorprofessor Dr. Kristian Müller und Dr. Katja Arndt von der Universität Freiburg gebaut. Im Rahmen des Wettbewerbs „international Genetically Engineered Machine“ (iGEM) 2008 konstruierten die Nachwuchsbiologen einen modulartig zusammengesetzten Baukasten aus künstlichen Rezeptoren und Liganden, mit dem sie bestimmte Reaktionen im Zellinneren auslösen können. Das war den Juroren am Massachusetts Institute of Technology (MIT) den zweiten Platz in der entscheidenden Gesamtwertung wert. Mit dem Baukasten könnten irgendwann sehr gezielte Eingriffe in die Zelle möglich werden.

Die Kunst eines Ingenieurs ist es, die Natur zu seinen Zwecken zu manipulieren. Aber lässt die Natur das auch in den mikro- und nanoskopischen Bereichen des Lebendigen zu? Ende 2007 haben neun BiologiestudentInnen von der Universität Freiburg in einem Seminar die Faszination für das Bio-Ingenieurwesen geschnuppert und sich zu einem Projekt zusammengeschlossen. Und seit November dieses Jahres sind sie Träger des Preises für die zweitbeste Arbeit im Wettbewerb „international Genetically Engineered Machine“ (iGEM), der am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston ausgetragen wird. Gegen 83 andere Gruppen aus 21 Nationen haben sie sich mit ihren Ideen durchgesetzt, im Finale gewannen sie sogar gegen die Teams der amerikanischen Eliteuniversitäten Berkeley, Caltech und Harvard. Überzeugen konnten sie mit einem molekularen Baukasten, der aus künstlich hergestellten Nanostrukturen besteht. „Mit diesem Baukasten lässt sich ein „Zellsteuerungssystem“ aufbauen“, sagt Juniorprofessor Dr. Kristian Müller vom Institut für Biologie III der Universität Freiburg, Betreuer und Initiator des Projekts.
Das Team kurz vor der Preisverleihung vor dem Audimax des MIT: Moritz Busacker, Robert Gawlik, Philipp Mappes, Daniel Hautzinger, Normann Kilb, Kathrin Pieper, Prof. Dr. Kristian Müller unten: Simone Weber, Michael Kneib, Sabine Jägle (Foto: Prof. Dr. Kristian Müller)

Perfekte Passgenauigkeit

Dieses „Zellsteuerungssystem“, das in Freiburg mit infrastruktureller Unterstützung zahlreicher Labore und überwiegender finanzieller Unterstützung durch das Exzellenzcluster Zentrum für biologische Signalstudien (Bioss) entstanden ist, besteht aus vier Elementen. Vorstellen kann man sich das Ganze als einen auf der Zellmembran sitzenden Schalter, der nur mit einem bestimmten Schlüssel betätigt werden kann und der über einen Hebel einen Mechanismus im Zellinneren auslöst. Die Biologiestudenten um Müller und Dr. Katja Arndt vom „Freiburg Institute for Advanced Studies“ (FRIAS) haben den Schlüssel, den zum Schlüssel genau passenden Schalter, den Hebel und den zellinternen Mechanismus aus biologischen Strukturen synthetisiert und alle vier Elemente so angepasst, dass sie perfekt miteinander wechselwirken. Bringt man eine Zelle durch Genmanipulation dazu, dass sie das System in ihre Zellmembran integriert, lässt sich der Mechanismus im Zellinneren beliebig auslösen. Theoretisch lassen sich damit verschiedene Rädchen im molekularen Getriebe der Zelle manipulieren. Für die Kontrolle von Signalwegen in Krebszellen etwa wäre das Prinzip ein Quantensprung.

Aber wie sehen die einzelnen Elemente überhaupt aus und wie passen sie zusammen? „Der Schlüssel besteht aus einem sogenannten DNA-Origami-Gerüst, an das zum Beispiel Hapten-Moleküle gekoppelt sind“, erklärt der Student Normann Kilb. „Dieses Konstrukt interagiert mit einem Hapten-Antikörper, der Haptene spezifisch binden kann.“ DNA-Origamis sind nanoskopische Strukturen aus einzelnen DNA-Bausteinen, die zu Figuren mit genau definierter Größe und Form zusammengefaltet werden können. Haptene hingegen sind kleine organische Moleküle, die die Jungingenieure an beliebigen Stellen des Origami-Gerüstes anbringen können. Auf diese Weise können sie einen Schlüssel mit genau definierten Zackenmustern „schmieden“. Antikörper oder den Antikörpern ähnliche Proteine bilden das Schloss für diesen Schlüssel. Zwei in bestimmten Abständen zueinander sitzende Haptene interagieren mit je einem von den Antikörpern. Jeder Antikörper ist seinerseits an ein Protein gekoppelt, das die Zellmembran überquert und ins Zellinnere ragt. Passt der Schlüssel, dann binden ihn beide Antikörper und nähern sich einander an. Damit führen sie auch die zwei Transmembranproteine zusammen.

Eine leuchtende Wiedervereinigung

Die Funktionsweise des Rezeptorsystems im Modell: im inaktivierten Zustand sind die zwei Teile des Systems räumlich getrennt (links). Ein modifiziertes DNA-Origami-Stück (rechts oben) bringt die beiden Hälften zusammen und das im Inneren der Zelle sitzende Protein dimerisiert. (Foto: Prof. Dr. Kristian Müller)
Es ist diese Dimerisierung, die sich ins Zellinnere übersetzt und letztlich den entscheidenden Mechanismus auslöst. An dem zellinternen Ende jedes Transmembranproteins sitzt nämlich je eine von zwei zueinander passenden Hälften eines gespaltenen Proteins. Auch sie nähern sich einander an und vereinigen sich zu einer Einheit. „Diese zusammengeführte Einheit löst dann weitere Aktionen aus. Statt dieser sogenannten Split-Proteine könnte man auch unterschiedliche molekulare Interaktionspartner koppeln, die bei Betätigung des Schaltersystems zueinander finden und interagieren können“, sagt der Student Michael Kneib. Diese Interaktion kann dann potenziell die Signalnetzwerke in einer Zelle beeinflussen. In ihren Experimenten benutzten die Studenten unter anderem zwei Hälften des blau fluoreszierenden Proteins CFP. Weil die CFP-Hälften im Fluoreszenzmikroskop nur leuchten, wenn sie dimerisieren, sehen die Biologen genau, wenn ihr Schaltersystem den Mechanismus auslöst.

Die Gene der einzelnen Bausteine des Schaltersystems haben die Freiburger Studenten nun in der Materialbank „Registry of Standard Biological Parts“ hinterlegt, wo sie den folgenden Generationen von iGEM-Teilnehmern zur Verfügung stehen. Auch sie selbst haben schon auf der Vorarbeit des Freiburger Teams von 2007 aufgebaut. Der zweite Platz ist Lohn für fast sechs Monate Arbeit. Was hat die Studenten so lange motiviert? „Wenn man sieht, dass ein Teilschritt klappt, dann will man immer weiter machen“, sagt die Studentin Kathrin Pieper. „Was aus dem Projekt jetzt wird, ist noch nicht ganz klar, aber wir streben eine Publikation in einem Fachjournal an“, sagt Müller. 

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