Powered by

Wie Zellen kommunizieren

Prof. Valentin Wittmann, Professor am Fachbereich Chemie an der Universität Konstanz, forscht schwerpunktmäßig im Bereich Chemische Biologie von Kohlenhydraten. Zurzeit stehen zwei Themengebiete im Vordergrund: Kohlenhydrat-RNA- und Kohlenhydrat-Protein-Interaktionen. Dabei geht es vor allem darum, die biologischen Funktionen von komplexen Zuckermolekülen (Glykanen) zu verstehen.

Prof. Valentin Wittmann mit einem Mitarbeiter im Labor an der Universität Konstanz (Foto: Keller-Ullrich)
Genutzt werden dazu sowohl Methoden der Organischen Chemie als auch biologische Testsysteme. „Unsere Arbeit ist ein Spagat zwischen Biologie und Chemie“, erklärt Prof. Wittmann. Naturgemäß interessieren sich die Chemiker jedoch nicht nur für das Funktionieren, sondern auch für Analyse- und Synthesemethoden.
Die Glykobiotechnologie erlebt zurzeit einen zweiten Hype, nach einem ersten zu Beginn der 90er Jahre. Doch damals waren Synthese- und Analysemethoden noch nicht ausreichend entwickelt für das komplexe Thema.

Jetzt haben die Zuckerforscher neuen Auftrieb durch jüngste Erkenntnisse aus der Genforschung erhalten. Denn nachdem das Humangenom entschlüsselt war, folgte die ernüchternde Erkenntnis, dass der Mensch deutlich weniger als 30.000 Gene besitzt und ein einfacher Wurm immerhin auch auf knapp 20.000 Gene kommt. Ganz offensichtlich ist die Ebene der Gene nicht komplex genug, um zu erklären, was den Mensch vom Fadenwurm unterscheidet. Und genau hier kommen die Zucker ins Spiel.
Forschungsschwerpunkt des Chemikers Prof. Valentin Wittmann ist die Chemische Biologie von Kohlenhydraten. (Foto: Keller-Ullrich)
Man schätzt, dass rund 50 Prozent aller Proteine im Körper in glykosylierter Form, das heißt als Glykoproteine, vorliegen. Und diese Zuckeranteile sind verantwortlich für die Steuerung wichtiger biologischer Funktionen. Das können relativ einfache sein, wie etwa die Löslichkeit von Proteinen aber auch hoch komplexe, wie etwa eine bestimmte Signalwirkung bei interzellulären Erkennungs- oder Kommunikationsprozessen, beispielsweise bei Entzündungen. Zunächst werden die Proteine synthetisiert. Dies geschieht in der Natur dadurch, dass eine vorhandene DNA-Matrize in die Aminosäuresequenz der Proteine „übersetzt“ wird. Die Zuckerreste dagegen werden anschließend angeheftet. Daher spricht man auch von „posttranslationaler Modifikation“ bzw. „sekundären Genprodukten“ erklärt Prof. Wittmann.

Verantwortlich für den Aufbau der hoch komplexen Polysaccharide (Glykane) sind bestimmte organ- und gewebespezifische Enzyme, deren Aktivität durch verschiedene Faktoren beeinflusst wird. Da der Prozess nicht durch eine Matrize gesteuert wird, unterscheiden sich alle Glykoproteine in ihren Zuckerstrukturen (Mikroheterogenität). Die Proteinglykosylierung ist - wenngleich die komplexeste - nur eine Form von posttranslationaler Modifikation. Daneben kennt man zum Beispiel noch die Phosphorylierung, die Ubiquitinylierung und einige andere. Sie zusammen bewirken eine enorme Erhöhung der Komplexität des Genoms.
Die unglaubliche Vielfalt der komplexen Glykane ist einerseits die Voraussetzung für das breite Spektrum ihrer biologischen Funktionen, andererseits stellt die Forscher vor schwierige Probleme, da es für Zucker keine einfachen Sequenzierungs- und keine Vervielfältigungsmöglichkeiten gibt. Chemiker, die sich mit diesem Thema beschäftigen, brauchen also Ausdauer und einen langen Atem. Die Aufgaben der Glykane sind noch lange nicht vollständig durchschaut. So ist der Zuckeranteil teilweise essenziell für das Überleben eines Organismus, scheint aber teilweise auch entbehrlich zu sein. Unter anderem sucht die Arbeitsgruppe von Prof. Wittmann nach Methoden, wie genau dies herausgefunden werden kann.

"Schutzgruppen" sind gefragt

Weil die Gewinnung von ausreichenden Mengen an reinen Glykanen aufgrund der Mikroheterogenität schwierig ist, versuchen die Forscher Glykane zu synthetisieren. Aber die Synthese von Glykanen hat es in sich. „Die chemische Synthese dieser komplexen Strukturen ist äußerst anspruchsvoll und ein heißes Thema,“ so Prof. Wittmann. Dabei sind Zucker- und Proteinchemiker gefragt. Die Moleküle sind so komplex und so vielfältig, dass die Synthese eines bestimmten Glykans Inhalt einer Doktorarbeit sein kann oder anders gesagt: Jahre dauern kann. Das hängt damit zusammen, dass Zucker sehr viele funktionelle Gruppen (OH-Gruppen) besitzen, die sich zudem noch gegenseitig beeinflussen. Diese muss der Chemiker alle unterscheiden, so dass es für jeden einzelnen Baustein sehr viele Schritte braucht. Denn es sollen in jedem Schritt nur einzelne, ganz genau bestimmte OH-Gruppen reagieren (Regioselektivität). Zudem muss die räumliche Ausrichtung der neugeknüpften glykosidischen Bindungen stimmen (Stereoselektivität). Die Synthese vieler Glykane ist auch heute noch eine Herausforderung für die Chemiker. „Bestimmte Motive, wie zum Beispiel beta-Mannoside, sind der Knackpunkt,“ so Prof. Wittmann. Um unerwünschte Reaktionen zu verhindern braucht es so genannte „Schutzgruppen“, die zu einem späteren Zeitpunkt wieder leicht abgespalten werden können. Manchmal nehmen die Forscher auch bestimmte Enzyme zu Hilfe, aber es gibt nicht für jede gewünschte Verknüpfung ein passendes Enzym. Eine elegante Lösung stellen so genannte Ligationsreaktionen dar. Hierbei handelt es sich um Verknüpfungsreaktionen, die so selektiv verlaufen, dass auf Schutzgruppen komplett verzichtet werden kann. Diese Reaktionen sind auch von großem Interesse, da man sie sogar innerhalb von lebenden Zellen durchführen kann.
Prof. Valentin Wittmann untersucht mit seiner Arbeitsgruppe die biologische Funktion von komplexen Zuckermolekülen (Foto: Keller-Ullrich)
„Das Thema ist komplex, aber wichtig,“ sagt Prof. Wittmann. Denn es geht dabei um die grundlegende Frage, wie Organismen funktionieren. Dazu versuchen die Forscher zu verstehen, wie biochemische Vorgänge die verschiedensten Funktionen regulieren und zwar auf unterschiedlichen Ebenen, wie etwa der Zellkommunikation. Die Synthese-Chemiker können dabei zum Verständnis einen Teil beitragen, indem sie Methoden entwickeln und Verbindungen herstellen, um Reaktion und Interaktion mit Proteinen aufzuklären. Die Frage ist: Wer erkennt Zucker und gibt es einen Code? Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei den Lektinen.

Wenige Strukturen gelöst

Lektine sind bestimmte Proteine, die in der Lage sind, Glykane zu erkennen und zu binden. Die Arbeitsgruppe von Prof. Wittmann untersucht nun, welche strukturellen Voraussetzungen vorhanden sein müssen, damit das Erkennen funktioniert. Häufig binden die Lektine nämlich an mehrere Zuckerstrukturen gleichzeitig, wodurch die Bindung fester wird (Multivalenz). Das funktioniert natürlich nur, wenn die Zucker im richtigen Abstand zueinander präsentiert werden. Um dies zu untersuchen, erzeugen die Konstanzer Chemiker eine Vielzahl möglicher Zuckerstrukturen durch kombinatorische Synthese und screenen diese anschließend auf Bindung an ein interessierendes Lektin.
Ausschnitt eines durch Kristallstrukturanalyse bestimmten Komplex des Pflanzenlectin Weizenkeimagglutinin mit einem divalenten synthetischen Liganden (Abbildung: Wittmann)
Begonnen haben die Konstanzer Forscher ihre Untersuchungen mit Pflanzenlektinen. Nun arbeiten sie mit physiologisch relevanten Galektinen von Säugetieren. Galektine spielen eine wichtige Rolle bei der Zelladhäsion, bei Entzündungen, Immunreaktionen und auch bei der Entstehung von Krebs, die genaue Funktion ist jedoch noch unklar. Eine wichtige Frage ist, wie die Wechselwirkungen der Lektine mit den Zuckern (ihren Liganden) auf molekularer Ebene aussehen. Wenn ein räumliches Bild von Lektin und gebundenem Ligand bekannt ist, lassen sich neue, verbesserte Liganden am Computer entwerfen. So kann man die Synthese viel gezielter angehen. Eine Technik, die sich zur Aufklärung der räumlichen Struktur von Lektin-Ligand-Komplexen eignet, ist die Kristallstrukturanalyse. Mittels Röntgen-Aufnahmen und anschließender Computer-Modellierung entsteht ein räumliches Bild. Doch die Kristallisation von Lektinen im Komplex mit multivalenten Liganden ist ausgesprochen schwierig. Weltweit wurden erst ganz wenige derartige Strukturen gelöst. Die Konstanzer Forscher sind daher hoch erfreut, dass ihnen kürzlich die Aufklärung eines solchen Lektin-Ligand-Komplexes gelungen ist. Zwar handelt es sich hier zunächst um einen Komplex mit einem Pflanzenlektin, doch die Forscher sind zuversichtlich, dass sich die gewonnenen Erkenntnisse auf physiologisch relevante Lektine übertragen lassen. Ziel ist es, Liganden zu finden, die mit hoher Affinität ansetzen. Diese könnten in Diagnose und Therapie eingesetzt werden.

Weiterentwicklung von Synthesemethoden

Zur Anwendung der entwickelten Techniken bieten sich zahlreiche Gebiete an. So sind Lektine auch bei einer bakteriellen oder viralen Infektion beteiligt, denn Lektine sind Bestandteile von Zellmembranen, sitzen also auf den Oberflächen von Bakterien und Viren. Auf der Oberfläche der Wirtszelle docken sie an die passenden Glykane an und infizieren die Zelle. Auch die derzeit stark diskutierten Influenza-Viren bedienen sich dieses Mechanismus. Hier könnten neu entwickelte Medikamente eingreifen, entweder, indem dadurch die Erreger unschädlich gemacht werden oder aber auch um die Erreger nachzuweisen.

Den Konstanzer Forschern geht es nicht nur um mögliche Anwendungen, sondern auch um die Weiterentwicklung von Synthesemethoden, wie etwa Glykolysierungsreaktionen, neuen Ligationsreaktionen oder Methoden zur Darstellung von Kohlenhydratchips, denn mit neuen Methoden lassen sich neue Fragestellungen bearbeiten. Daher ist die enge Zusammenarbeit von Chemikern und Biologen bei interdisziplinären Forschungsprojekten im Grenzbereich Chemie/Biologie enorm wichtig. Die Universität Konstanz hat dies bereits vor über fünf Jahren erkannt und den interdisziplinären Studiengang Life Science, der von den Fachbereichen Chemie und Biologie gemeinsam getragen wird, eingerichtet. Kürzlich wurden die Bestrebungen der Universität auf diesem Gebiet mit der Bewilligung der Graduiertenschule „Chemical Biology“ im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes belohnt. 

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/wie-zellen-kommunizieren/