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Glykobiotechnologie - Zuckerforschung nimmt Fahrt auf

Neben DNA und Proteinen spielen Zuckerstrukturen eine große Rolle bei zellulären Transport- und Kommunikationsvorgängen, sie sind Teil der molekularen Steuerungs- und Regelungsmaschinerien. Das macht sie zu einem interessanten Objekt für die Biotechnologie. Die Pharmaindustrie hat das Potenzial der Zuckerstrukturen ebenso erkannt wie die Lebensmittelbranche und die Materialwissenschaft.

Die Ära der Zuckerforschung ist angebrochen. Genau genommen stecken wir bereits mitten drin. Vor etwa zehn, 15 Jahren setzte in den Lebenswissenschaften ein Umdenken ein. Bessere Analyseverfahren und ein immer tieferes Verständnis zellulärer Mechanismen brachten zutage, dass Zuckerstrukturen an weit mehr biologischen Funktionen beteiligt sind als bisher gedacht. In der Folge rückte die Zuckerforschung immer mehr in den Fokus der Wissenschaft. 2003 stufte das Massachusetts Institute of Technology (MIT) die Glykobiotechnologie als eine von zehn Spitzentechnologien der Zukunft ein.

Grundlagen- und angewandte Forschung arbeiten in Deutschland Hand in Hand, um die Glykobiologie und die Glykobiotechnologie zu einem Exzellenzfeld deutscher Forschung zu machen und international auf diesem Gebiet ganz vorne mit dabei zu sein. Nach dem „Förderschwerpunkt Glykobiotechnologie“ startete das BMBF im November 2006 den „Arbeitsgruppenwettbewerb Glykobiotechnologie“, um diesen Forschungszweig nachhaltig in Deutschland zu etablieren.

Zelluläre Zuckerstrukturen stehen Modell für neue Materialien und Oberflächen

Saccharose - eine Form von Zucker (Foto:© Takeda Pharma)
Baden-Württemberg ist mit herausragenden Forschern und Projekten vertreten. Ein Schwerpunkt ist die Untersuchung des Zuckerpelzes auf den Zelloberflächen. So erforscht und entwickelt eine Arbeitsgruppe unter Leitung von Dr. Ralf Richter am Stuttgarter Max-Planck-Institut Modelle der zellulären Zuckerhülle. Damit sollen Struktur-Funktions-Zusammenhänge aufgeklärt und das System zu einer neuen Plattform für die Biosensorik ausgebaut werden (siehe Betrag „Wie funktionieren Zellen? Modelle der Zuckerhülle liefern neue Antworten“).

Für die Entwicklung innovativer Biomaterialien ist das Wissen um Zucker und ihre Bindungspartner unverzichtbar. Das betrifft Implantate, Prothesen und generell alle Werkstoffe, die mit biologischen Systemen interagieren. Zuckerbindende Proteine, die Lektine, stehen im Fokus vieler Arbeiten. Prof. Dr. Wittmann an der Universität Konstanz erforscht beispielsweise die multivalente Erkennung und Differenzierung von galaktosebindenden Lektinen durch oberflächengebundene Neoglykopeptide (siehe Beitrag "Wie kommunizieren Zellen? - Konstanzer Chemiker untersuchen Kohlenhydrat-Protein-Interaktionen").

Bindungsverhalten bietet neue Perspektiven für Diagnose und Therapie

Eine natürliche Killerzelle (Foto: © eye of science, Rupert Handgretinger)

Die spezifische Bindung von Lektinen an Zuckerstrukturen ist auch für die Medizin ein Schlüsselvorgang, sein Verständnis soll zu ganz neuen Therapien führen. Die Arbeitsgruppe um Dr. Ingo Müller an der Uni Tübingen befasst sich mit der spezifischen Zuckerhülle von Krebszellen und erforscht, wie die Zucker mit Oberflächen-Lektinen von Zellen des Immunsystems wechselwirken (Beitrag „Krebszellen: Glykosylierungsmuster könnte angreifbare Schwachstelle sein“).

Das Prinzip spezifischer Bindungen zwischen Zuckern und Proteinen wird auch in der biotechnologischen Arzneimittelproduktion genutzt. Es wird intensiv daran geforscht, neue beziehungsweise optimierte Zellsysteme zu entwickeln, mit denen die Verzuckerung therapeutischer Moleküle gezielt initiiert und gesteuert werden kann. Ein Beispiel zeigt die Freiburger greenovation Biotech GmbH. Sie nutzt Moospflanzen, um therapeutische Proteine zu entwickeln. Die Pflanzenproteine werden mit humanen Zuckerstrukturen versehen und können dadurch von Zielzellen im menschlichen Körper erkannt werden.

"Bereits das erste von Boehringer Ingelheim 1985 hergestellte Biopharmazeutikum Actilyse war ein Glykoprotein", sagt Dr. Michael Schlüter. Der Chemiker ist von Anfang an dabei und leitet eine Abteilung, die im Laufe der Jahre mächtig gewachsen ist, so wie auch die Produktion der Biopharmazeutika am Standort Biberach.

Lebensmittel mit bioaktiven Zuckerverbindungen

Fucus-Arten eignen sich als Lieferant für Algenpolysaccharide. (Foto: Anoxymer GmbH)
Einen anderen Weg, aber ebenfalls ausgehend von Pflanzen, geht die Esslinger Anoxymer GmbH. Sie erforscht die gesundheitsfördernde Wirkung von pflanzlichen Zuckerstrukturen, die über die Nahrung aufgenommen werden. Das Unternehmen entwickelt Extrakte, in denen bioaktive Mehrfachzucker angereichert sind. Um die Hintergründe zu therapeutischem und vorbeugendem Nutzen geht es im Beitrag „Mehr als nur leere Kalorien: Mehrfachzucker in Nahrungsmitteln“.

Alle glykobiologischen und glykobiotechnologischen Fragestellungen haben eines gemeinsam: Die Forschung an den hochkomplexen Zuckermolekülen ist stets mit hohen Datenaufkommen verbunden. Sie müssen erfasst, verwaltet und verarbeitet werden. Computergestützte Simulationen und Modellierungen sind gerade in der Glykobiologie wegen der besonders komplexen Zusammenhänge nur mithilfe moderner Bioinformatik zu bewältigen. Ein Pionier der Glykobioinformatik war Dr. Claus-Wilhelm von der Lieth vom Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg. Seine Ansätze beschreibt der Beitrag "Glykobiotechnologie: Durchbruch für die Glykomik".
Was ist Glykobio(techno)logie?

Komplexe Zuckerverbindungen werden Glykane genannt. Das Wort leitet sich vom griechischen glykós für „süß“ ab. Einzelne Zuckerbausteine (Monomere) wie Glucose oder Fructose sind in Glykanen zu Polymeren verkettet. Diese Ketten können sehr lang sein, sich verzweigen und mit anderen Molekülen wie Lipiden oder Proteinen verbunden sein. Dadurch entsteht eine Komplexität, die die von reinen Nukleinsäuren und Proteinen weit übersteigt. Drei einzelne Zuckerbausteine reichen bereits, um mehr als 27.000 unterschiedliche Strukturen daraus aufzubauen. Entsprechend vielfältig sind die Funktionen, die Zuckerverbindungen ausüben können. Glykane sind wichtig für die Kommunikation der Zellen untereinander beziehungsweise zwischen Zellen und ihrer molekularen Umgebung, sie sind wichtig für die Gewebestruktur und sie speichern Informationen.

So wie die Bezeichnungen Proteom und Genom für die Gesamtheit der Proteine beziehungsweise Gene eines Organismus steht, hat sich für die Gesamtheit der Zuckerverbindungen der Begriff Glykom durchgesetzt. Häufig wird synonym für die Glykobiologie der Begriff Glykomik oder sein englisches Pendant Glycomics verwendet.

In der Gykobiologie werden die Strukturen und Funktionen der Zuckerverbindungen erforscht, in der Glykobiotechnologie werden sie auf den praktischen Nutzen hin untersucht. Zell- und krankheitsspezifische Glykane können in der Medizin als Diagnosemarker dienen sowie als Angriffsort für medikamentöse Therapien. Außerdem spielen Zuckerstrukturen bei Biopharmazeutika eine immer größere Rolle, sie beeinflussen unter anderem ihre Stabilität, Aktivität und Immunogenität. Glykane geben aber auch der Materialwissenschaft neue Impulse, sie dienen als Modell zur Entwicklung neuer Biomaterialien, zum Beispiel als Träger (Scaffold) bei der Züchtung von Ersatzgeweben (Tissue Engineering). Last but not least können Zuckerstrukturen als Nahrungsmittelzusatz gesundheitsfördernde Wirkung entfalten.

Glossar

  • Biosensoren sind biologische Detektionssysteme zum Aufspüren kleinster Substanzmengen.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • 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.
  • Glykoproteine sind Proteine, welche noch Polysaccharidketten (Mehrfachzucker) gebunden haben (N-Acetylhexosamine, Galaktose, Mannose, Glucose).
  • Lipide sind Fette und fettähnliche Substanzen.
  • Ein Monomer ist die kleinste Moleküleinheit (Baustein) eines Oligomers bzw. Polymers.
  • 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.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)
  • Biopharmaka sind Arzneimittel, die mit Hilfe von biologischen Systemen hergestellt werden.
  • Das Proteom ist die Gesamtheit aller zu einem bestimmten Zeitpunkt unter definierten Bedingungen vorhandenen Proteine in einem Lebewesen, einem Gewebe oder einer Zelle.
  • Tissue Engineering beruht darauf, lebende Zellen eines Organismus außerhalb eines Körpers zu kultivieren und ggf. mit extrazellulären Komponenten biologischer oder synthetischer Art zu kombinieren. Anschließend werden die bioartifizellen Regenerate oder Konstrukte wieder in den Organismus implantiert.
  • Das Immunsystem ist das körpereigene Abwehrsystem von Lebewesen, das Gefahren durch Krankheitserreger abwenden soll. Es schützt vor körperfremden Substanzen und vernichtet anormale (entartete) Körperzellen. Dies wird durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Organe, Zelltypen und chemischer Moleküle vermittelt.
  • Die Zelldifferenzierung bezeichnet die Spezialisierung von Zellen in Bezug auf ihre Funktion und ihre Struktur. So entstehen aus undifferenzierte Stammzellen verschiedene Zelltypen wie Herzmuskel-, Nerven- oder Leberzellen, die ganz unterschiedlich ausssehen und verschiedene Aufgaben erfüllen.
  • Glucose ist ein Monosaccharid (Einfachzucker). Sie kommt als D-Glucose in fast allen süßen Früchten vor und trägt den Trivialnamen Traubenzucker. Glucose bildet den Mittelpunkt des Kohlenhydrat-Stoffwechsels.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Glykosilierung ist das Anbringen von Zuckerstrukturen an Proteinen, bspw. zur Erhöhung der Stabilität eines Proteins.
  • Immunogenität ist die Fähigkeit eines Antigens eine Immunanwort im menschlichen Körper hervorzurufen.
  • Glycane ist gleichbedeutend mit Polysaccharid (Mehrfachzucker).
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung
  • Bioaktive Substanzen sind Stoffe in Lebensmitteln, die meist eine gesundheitsfördernde biologische Wirkung auf den menschlichen Körper haben, aber keine Nährstoffe bzw. Energie liefern. Sie haben häufig entzündungshemmende, antioxidative, immunmodulierende oder antikanzerogene Wirkung.
Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/dossier/glykobiotechnologie-zuckerforschung-nimmt-fahrt-auf/