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Holger Barth macht Gifte zu Spediteuren

Holger Barth beschäftigt sich mit einer besonderen Art von trojanischen Pferden. Der Ulmer Toxikologe erforscht spezielle Giftstoffe, die von Bakterien produziert werden. Diesen Proteinen gelingt es, wie weiland den Griechen, mit einer List die verrammelten Tore der Zelle zu öffnen und ihr zerstörerisches Werk in Gang zu setzen. Das macht sie zu begehrten Werkzeugen von Zellbiologen und Pharmakologen und in der Zukunft womöglich zu Wirkstoff-Transportern.

Als der Postdoc Holger Barth Mitte der 90er Jahre in Freiburg den Auftrag zur Untersuchung des C2-Toxins erhielt, wusste er noch nicht, dass dieses Toxin „sein“ Toxin werden würde, dem er manches Geheimnis entlocken würde. Damals war gerade das Institut für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie um den renommierten Toxikologen Klaus Aktories nach Freiburg umgezogen. Barth, dessen Vertrag am DKFZ in Heidelberg ausgelaufen war, sollte herausfinden, wie dieses von Clostridium botulinum hergestellte C2-Toxin von der Zelle aufgenommen wird.

Die Natur macht’s der Industrie vor

Holger Barth, seit rund drei Jahren C3-Professur am Institut für Pharmakologie und Toxikologie des Ulmer Uniklinikums. (Foto: Pytlik, BioRegionUlm)
Über dieses Gift fand Barth, der über die Regulation des Zellzyklus promoviert hatte, schnell Gefallen an der Toxikologie. „Ich merkte, welch unheimliches Potential in diesen Toxinen steckt“. Diese Proteine sind Extrem-Spezialisten, die über raffinierte Aufnahmewege in Zellen gelangen, indem sie zelleigene Wege für den Proteintransport ausnutzen. So entziehen sie sich dem Abbau und gelangen ungefährdet ins Zellinnere. Hinzu kommt eine weitere Eigenschaft, die Barth fasziniert. Diese Toxine modifizieren ganz spezifisch in der Zelle ein je eigenes Substrat, machen also im Prinzip genau das, was die Industrie herstellt: selektive Inhibitoren oder Aktivatoren.

„Sein Gift“, das C2-Toxin, erklärt Barth, stand lange im übermächtigen Schatten von C1, dem ebenfalls von Clostridium botulinum produzierten Megagift. Zu C2 sind mittlerweile andere Gifte dazugekommen, aber es steht immer noch im Mittelpunkt des Forschers Barth. Nachdem er dessen Wirkung und Struktur aufgeklärt hat, schieben sich jetzt pharmakologische Aspekte in den Vordergrund, ist die Anwendung näher gerückt, sagt Barth.

Passagier und Transporter

C2 gehört zur Gruppe der binären Aktin-ADP-ribosylierenden Toxine, welche die Aktin-Filamente, die das Zellskelett bilden, zerstören. Das bekannteste Gift dieser überschaubaren Gruppe ist der Milzbranderreger Anthrax. C2 wurde erst 1980 von Japanern entdeckt, seine molekulare Struktur klärte Barths Freiburger Mentor Aktories auf. Unlängst gelang es beiden, auch die Kristallstruktur von C2 zu entschlüsseln.
Der Einfluss von C2-Toxin auf kultivierte Säugerzellen. Das Bild zeigt Kontrollzellen, ohne C2-Toxin.
Nach drei Stunden hat C2 das Zytoskelett weitgehend zerstört. (Fotos: Dr. Sascha Pust, AG Barth)
Das Besondere dieser Toxin-Gruppe ist ihr binärer Charakter; es handelt sich um zwei voneinander getrennte, gleichzeitig vom Bakterium ausgeschiedene Proteine, die erst ihre Wirkung entfalten, wenn beide Bestandteile (C2 I und C2 II) auf der Zielzelle zusammentreffen. Einzeln sind beide Proteine ungiftig. Das ist auch für die Laborarbeit vorteilhaft.

C2 I ist das eigentliche Toxin, das das Zellskelett zerstört, wozu es aber C2 II als Transporter benötigt. Wie raffiniert das geschieht, hat Holger Barth herausgefunden. Der Transporter, führt Barth aus, sei lange unverstanden gewesen. Erst wenn dieser proteolytisch aktiviert wird (dann heißt er C2 IIa), bildet er in Lösung sehr rasch ringförmige Heptamere. Diese Art Vorpore diffundiert, dockt über die Rezeptoren an der Zelloberfläche an. Ohne diese Bindungsstelle kann das giftige Enzym C2 I nicht auf die Zelle binden.

Eine Protonenpumpe bereitet die Entfaltung vor

Sitzen drei dieser Enzyme auf ihr, beginnt die Endozytose und der Transport in die Zelle wird über diese zelleigenen Wege abgewickelt. Ab einem bestimmten pH-Wert faltet sich die Docking-Plattform als aktive Pore in die Zellmembran, erklärt Barth. Das saure Milieu erzeugen Protonen, die unter Energieverbrauch aus dem Zytosol in das Innere dieser Vesikel (Endosomen) gepumpt werden. Ist ein bestimmter Säuregehalt erreicht, werden die Enzyme (C2 I) entfaltet. Proteinfaltungshelfer der Zelle (Chaperone) falten C2 I danach zurück und „entsichern“ damit das Enzym.

Wehe, wenn die Helfer losgelassen werden

Diese zellulären Helfer entdeckte Barth zeitgleich mit US-Kollegen. Mittlerweile haben die Ulmer weitere Proteinfaltungshelfer ausgemacht. Barth spricht von einer ganzen „Maschinerie“, die dem „feindlichen“ Protein beim kritischen Übertritt in die Zellmembran behilflich ist. Dort sind Verwandlungskünste gefragt, schließlich muss der Fremdling zuerst wasserlöslich, dann fettlöslich und schließlich wieder wasserlöslich sein.

Dass C2 schon in sehr geringer Konzentration tödlich wirkt, hatten Japaner in den 80er Jahren herausgefunden. Diesen Befund bestärkten Untersuchungen in Barths Arbeitsgruppe. C2 löste bei gängigen Zelltypen (Epithel-Zellen, Fibroplasten) Apoptose aus. Was die Ulmer noch herausfanden: während das Zytoskelett binnen weniger Stunden zerstört wurde, starben die kultivierten Zellen erst nach 24 Stunden ab.

Fusionsproteine nützen trojanische Eigenschaft aus

Neben der biochemischen und zellbiologischen Charakterisierung der Toxine und ihrer Wirkmechanismen auf Säugerzellen arbeitet Barths Gruppe auch mit rekombinanten, zellgängigen Fusionsproteinen. Diese setzen das entschärfte C2-Toxin als Shuttle-Bus ein, der Proteine befördert, die alleine keinen Zugang in die Zelle bekämen. Über dieses Vehikel entdeckte Barths Arbeitsgruppe 2007 den zellulären Wirkmechanismus eines neuen Salmonellen-Gifts. Damit ließen sich die langfristigen Reaktionen von SpvB-vergifteten Zellen untersuchen. Dieser sogenannte Virulenzfaktor SpvB von Salmonella enterica greift wie das Chlostridien-Gift C2 den Zellgerüstbaustein Aktin an und wird direkt von intrazellulär wachsenden Salmonellen in das Zytosol von Wirtszellen geliefert.

Dabei fanden Barth und Co auch heraus, dass Säugetierzellen über einen natürlichen „Abwehrmechanismus“ gegen dieses Salmonellengift verfügen und das Toxin im Zytosol abbauen, anders als das C2 I-Protein von Clostridium botulinum, das selbst in geringsten Mengen tödlich für die Zelle verläuft. In neuen Versuchen mit diesem Transportsystem sollen DNA-Reparatur-Enzyme in Zellen eingebracht werden. Dieser Ansatz, so Barth, sei interessant für geschädigte DNA in Tumorzellen wie beispielsweise p53.

Im Huckepack in die Zelle

In der AG Barth, hier fast vollzählig, herrscht ein vertrauensvoller Umgang. (Foto: Pytlik, BioRegionUlm)
Die Shuttle-Qualitäten von C2 hat Barths Arbeitsgruppe auch in einem weiteren künstlichen Fusionstoxin (C2IN-C3) genutzt. Damit gelang es, das natürlich vorkommende Enzym C3 in die Zelle zu befördern. Das ist nach Barths Worten deshalb von Bedeutung, weil C3 der einzig bekannte Inhibitor von RHO ist. RHO ist als zentraler molekularer Schalter an sehr vielen Reaktionen der Zelle beteiligt. „Das von uns hergestellte rekombinante Fusionstoxin transportiert C3 sehr effektiv in alle bisher getesteten eukaryonten Zelltypen“, sagt Barth. Aus der sehr spezifischen Bindung von C3 könnte nach Einschätzung des Toxikologen auch sein therapeutisches Potential erwachsen.

Transporter-Prinzip ist Forschungskapital

Sein größtes Forschungskapital ist dieses Transporter-Prinzip von C2, sagt Barth. Momentan versucht ein Mitarbeiter, an C2 eine Art universellen Adapter anzukoppeln. Damit müssten die Konstrukteure dieser Fusionsproteine nicht mehr bis auf Genebene hinabsteigen und den Schutz diverser Patente beachten. Das Prinzip, C2 als Transporter für sperrige Proteine zu verwenden, funktioniert aber nicht immer, sondern muss jeweils auf seine Tauglichkeit erprobt werden. Barth zufolge hat es damit zu tun, ob das Enzym wieder zurückgefaltet werden kann; die Größe des blinden Proteinpassagiers sei wohl nicht so entscheidend wie gedacht.

Eine pharmazeutische Anwendung dieser hochspezifisch wirkenden Toxine kann sich Barth durchaus vorstellen. So wurde ein Fusionsprotein bereits vor Jahren an eine Tübinger Firma wegen seines neuroregenerativen Potentials verkauft. Warum sollte nicht irgendeines Tages ein solches kommerziell nutzbares Fusionsprotein in Ulm bleiben? Dass es dazu vieler kleiner Schritte bedarf, weiß der Toxikologe sehr wohl. Und dass die Euphorie hinter der Arbeit des Alltags zurücksteht, auch dessen ist sich Barth bewusst.

Die eigene Prägung weitergeben

Was seine AG antreibt, wird klar, wenn er von den glücklichen Umständen seiner akademischen Laufbahn schwärmt. Diese Dankbarkeit seinen Förderern gegenüber, die ihn an ihren Visionen teilhaben ließen und ihn die Freiheit akademischer Forschung schätzen ließen, gibt der Hochschullehrer Barth an seine Mitarbeiter weiter und lobt den vertrauensvollen Umgang untereinander. Symptomatisch seine Antwort auf die Frage, was er sich wünschte, hätte er einen Wunsch frei: Mehr Geld, damit er seinen Mitarbeitern Stellen finanzieren könnte, wenn deren Verträge auslaufen.

wp, 10.03.2008 © BIOPRO Baden-Württemberg GmbH

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • 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.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Die Rekombination ist der Vorgang, bei dem DNA neu kombiniert wird. Als natürlicher Prozess findet Rekombination bei der geschlechtlichen Vermehrung während der Meiose statt. Bei der In-vitro-Rekombination werden mit Hilfe molekulargenetischer Methoden DNA-Abschnitte unterschiedlicher Herkunft miteinander verknüpft.
  • Rezeptoren sind Moleküle, die u. a. auf Zelloberflächen anzutreffen sind und die in der Lage sind, ein genau definiertes Molekül – ihren Liganden – zu binden. Das Zusammentreffen von Ligand und Rezeptor kann eine Abfolge von Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen.
  • Allgemein ist mit Virulenz die Fähigkeit eines Krankheitserregers gemeint, seinen Wirt zu infizieren. Bei Bakteriophagen bezeichnet man damit die Eigenschaft, seinen Wirt nach Infektion zu lysieren.
  • Apoptose ist die Bezeichnung für den programmierten natürlichen Zelltod, der durch den enzymatischen Abbau zelleigener DNA und Proteine gekennzeichnet ist. Die Apoptose kann durch verschiedene Faktoren ausgelöst werden. Krebszellen haben die Fähigkeit entwickelt, die Apoptose zu umgehen und können sich weiter teilen.
  • 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.
  • Inhibitoren sind Stoffe, die chemische oder biologische Reaktionen verlangsamen oder verhindern.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • kb ist die Abkürzung für Kilobase. Diese Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • Die Endozytose ist ein spezieller Transportvorgang in Zellen, bei dem die Zelle durch Einstülpung der Zellmembran einen Flüssigkeitstropfen, darin gelöste Substanzen oder auch größere Nahrungsteilchen aufnimmt. Der Vorgang endet mit der Abschnürung der entstandenen Nahrungsvakuole ins Zellinnere.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Die Zytologie oder auch Zellbiologie ist eine Disziplin der Biowissenschaften, in der mit Hilfe mikroskopischer und molekularbiologischer Methoden die Zelle erforscht wird, um biologische Vorgänge auf zellulärer Ebene zu verstehen und aufzuklären.
  • Die Pharmakologie ist eine Wissenschaft, die sich mit der Wechselwirkung zwischen Arzneimitteln und Organismen befasst. Dabei gibt es zwei Verfahren zur Beurteilung: Die Pharmakokinetik beschreibt die Aufnahme, Verteilung, Verstoffwechselung und Ausscheidung des Wirkstoffs, die Pharmakodynamik beschreibt die Wirkung des Arzneimittels im Organismus.
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