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Moleküldesign nach Maß und Bedarf

Biomoleküle wie Peptide und Nukleinsäuren können heute relativ schnell und kostengünstig synthetisiert werden. Auch die Methoden zur gezielten Mutagenese in Mikroorganismen sind weit fortgeschritten. Zusammengenommen hat das dem Design neuer und dem Umgestalten bekannter Biomoleküle Auftrieb gegeben. Beides dient dazu, bestimmte Molekülfunktionen in der Forschung und in der industriellen Produktion von Wert- und Wirkstoffen zu nutzen. Auch die Medizin und die Umwelttechnologie sind wichtige Anwendungsgebiete für das Moleküldesign.

Winzige sterische Veränderungen in der dreidimensionalen Struktur eines Moleküls können weitreichende Folgen für eine oder mehrere seiner Funktionen haben. Dabei wird die Gestalt von Biomolekülen nicht nur genetisch, sondern auch durch die Umgebung bestimmt. Das chemische Milieu und die physikalischen Bedingungen wie Druck und Temperatur sind wichtige Einflussgrößen. Aber auch andere Moleküle können die Struktur eines Biomoleküls beeinflussen, etwa um eine Funktion zu verstärken, abzuschwächen oder vollständig zu hemmen. Dabei kann das Zusammenspiel aller Einflüsse und Wechselwirkungen außerordentlich komplex sein.

Änderung des Zugangs zum katalytisch aktiven Häm (gelb) in einer bakteriellen Monooxygenase durch Mutation von zwei "Hotspots" (rot). Die Form der Bindungsstelle in sechs hochselektiven Mutanten unterscheidet sich von der Bindungsstelle des natürlich vorkommenden Enzyms (Mitte). Abb.: Seifert A, Vomund S, Grohmann K, Kriening S, Urlacher VB, Laschat S, Pleiss J: Rational design of a minimal and highly enriched CYP102A1 mutant library with improved regio-, stereo- and chemoselectivity. ChemBioChem. 2009. 10: 853-861. Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Abgebildet mit Genehmigung. © Wiley-VCH Verlag

Selbst, wenn für ein bestimmtes Molekül die Struktur und alle Umgebungsparameter bekannt sind, gibt es bei der Funktion noch Spielraum, da Biomoleküle eine gewisse Dynamik zeigen und sich die Bestandteile im Rahmen ihrer Freiheitsgrade bewegen. Die molekularen Schwingungen können so stark sein, dass sich bei Proteinen zum Beispiel Bindungstaschen öffnen oder schließen. Selbst, wenn ein Molekül „ordungsgemäß“ in seiner 3D-Struktur bereit steht, heißt das also nicht zwangsläufig, dass ein potenzieller Bindungspartner in jedem Fall Kontakt aufnehmen kann.

Diese Zusammenhänge machen bereits klar, vor welchen Herausforderungen die Moleküldesigner stehen. Allein um die in der Natur vorkommenden Ist-Zustände eines Moleküls und seiner Wechselwirkungen zu beschreiben, muss eine enorme Datenmenge erfasst werden. Das geht nur mithilfe der modernen Bioinformatik, einem Feld, das seit Jahren kontinuierlich an Bedeutung gewinnt. Am Zentrum für Bioinformatik der Universität Tübingen zum Beispiel werden spezielle Programme entwickelt, um durch Modellierungen und Simulationen auf der Basis des bisherigen Wissens Wirkstoff-Moleküle zu finden beziehungsweise bekannte Wirkstoffe so zu modifizieren, dass sie speziellen Fragestellungen angepasst werden können. Dabei steht die Software-Plattform „BALL“ allen interessierten Wissenschaftlern kostenlos zur Verfügung. Die Tübinger Bioinformatiker gehen auch bereits erste Schritte in Richtung „Second Life“, um Experten an allen möglichen Standorten die gleichzeitige interaktive Arbeit an einem virtuellen 3D-Molekül zu ermöglichen.

„Virtual Screening“ senkt den Designaufwand beträchtlich

Auch beim Design neuer und optimierter Enzyme, die in der industriellen Produktion und bei der Produktion von Pharmaka als Biokatalysatoren eingesetzt werden, geht nichts ohne Computer. Am Institut für Technische Biochemie der Universität Stuttgart werden zum Beispiel Substratbindungstaschen zuerst am Computer optimiert, um die Selektivität eines Enzyms für bestimmte Substrate zu erhöhen. Enzymveränderungen werden auch dann zunächst virtuell durchgespielt, wenn Enzyme gesucht sind, die hoch selektiv zum Beispiel nur ein Stereoisomer eines Produktes herstellen.

Speziell mit Makromolekülen befasst sich seit dem Jahr 2000 die Gruppe „Molecular and Cellular Modeling“ bei der Heidelberger EML Research gGmbH. Mit einem Schwerpunkt auf Proteinen entwickelt die Gruppe computergestützte Methoden, um biomolekulare Wechselwirkungen vorherzusagen und zu simulieren.

Härtetest im Labor

Virtual Screening ist in den letzten Jahren eine wichtige Methode in der computerunterstützten Arzneimittelforschung geworden. © BioRegio STERN

Ob medizinischer Wirkstoff oder Biokatalysator – alle virtuell für gut befundenen Moleküldesigns müssen sich im kleinen Maßstab im Labor bewähren, bevor sie tatsächlich in die Anwendung gehen. Dabei erleben die Wissenschaftler immer wieder Überraschungen. Nicht jedes neue oder geänderte Molekül übersteht den Härtetest im Labor. Funktioniert das Molekül mit seinen neuen Design-Merkmalen nicht wie gewünscht, geht es mit den neuen Erkenntnissen aus dem Labor wieder zurück ans virtuelle Reißbrett. Das Molekül wird weiter optimiert oder manchmal auch ganz verworfen. Das ist nicht so schlimm, wie es sich zunächst anhört, denn in der Regel steht den Wissenschaftlern eine größere Auswahl geeigneter Kandidaten zur Verfügung, die sie zuvor über Datenbank-Recherchen eingegrenzt haben.

In 3D-Datenbanken mit Strukturdaten kann gezielt nach Molekülen oder Molekülfragmenten gesucht werden, die zu einer bestimmten Reaktionsstelle in einem Zielmolekül passen beziehungsweise komplementär dazu sind und die gewünschten sterischen und elektrochemischen Eigenschaften aufweisen. Mit dem zunehmenden Wissen über Moleküle und ihre Funktionsprinzipien nimmt das „Virtual Screening“ heute immer mehr an Bedeutung zu. Es grenzt die im Labor zu testende Menge etwa bei Wirkstoffmolekülen typischerweise auf 50 bis etwa 1.000 Kandidaten ein.

Die Strukturdaten stammen oft aus Analysen der Röntgenbeugungsmuster, die durch das Bestrahlen kristallisierter Moleküle gewonnen werden. Auf diesem Weg können die genauen Positionen der Atome bestimmt und Bindungslängen sowie -winkel abgeleitet werden, so dass sich ein sehr genaues Bild der Molekülstruktur ergibt. Manche Proteine lassen sich jedoch schlecht kristallisieren, deshalb werden auch andere Methoden zur Strukturaufklärung herangezogen. Eine Alternative und Ergänzung bietet die NMR-Spektroskopie – eine Spezialität der „NMR Core Facility“ an der Universität Konstanz. Das Kernspinresonanz-Spektroskop liefert vielfältige Informationen über die chemischen Verknüpfungen der vermessenen Moleküle und über die Wechselwirkungen mit ihrer molekularen Umwelt.

De-novo-Moleküldesign – auf den Spuren der Evolution

Teilweise werden mathematische Algorithmen eingesetzt, um evolutionäre Entwicklungen nachzuahmen und so ein De-novo-Design von Biomolekülen, etwa für medizinische Wirkstoffe, zu ermöglichen. Dabei kommen sequenzielle Zyklen von zufälliger Mutagenese und Selektion zur Anwendung. Auch die Rekombination von Genen kann am Computer nachgestellt werden.

Beim nicht-evolutionären De-novo-Design wird ein Molekül nicht unbedingt Atom für Atom neu zusammengesetzt: Soweit möglich werden bereits bekannte, mehr oder weniger lange Strukturfragmente eingesetzt. Als Referenzstruktur dient bei medizinischen Wirkstoffen meist die Kristall-Struktur des Zielmoleküls. Das neue Molekül muss allerdings nicht nur räumlich dazu passen, sondern auch auf die gewünschte Weise mit der Zielstruktur wechselwirken.

Nicht immer steht das Moleküldesign im Dienste der Wirkstofffindung oder der Optimierung einer bestimmten Reaktion. Eine Arbeitsgruppe unter Leitung von Prof. Dr. Willi Bannwarth am Institut für Organische Chemie und Biochemie der Uni Freiburg befasst sich mit der Erweiterung des genetischen Codes, um nichtnatürliche Aminosäuren an spezifischen Positionen in ein Protein einzubauen. Eines der Ziele ist es, über die Reaktion dieser nichtnatürlichen Aminosäure mit einem Fluoreszenzfarbstoff den Ort der Expression und die Expressionseffizienz zu evaluieren.

Kombinieren und probieren

Ein Verfahren, dass schon seit Jahrzehnten im Dienste des Moleküldesigns steht und immer mehr verfeinert wurde, ist die Kombinatorische Chemie. Hierbei werden die chemischen Reste am Grundgerüst eines Moleküls variiert beziehungsweise neu kombiniert. Kern der Methode ist die Festphasensynthese, bei der das Ausgangsmolekül an ein Harz gebunden ist und in verschiedenen Lösungen jeweils einem Überschuss bestimmter Bindungspartner ausgesetzt wird. Je nach Protokoll entsteht so eine Vielzahl neuer Verbindungen, die in Substanzbibliotheken zusammengefasst werden. Unter den Verbindungen werden dann im Labor, teilweise mit Computerunterstützung, die Moleküle ausgewählt, die die gesuchten Eigenschaften aufweisen. Ein wichtiges Hilfsmittel beim Durchsuchen sehr großer Substanz-Bibliotheken ist das High-Throughput-Screening.

Glossar

  • Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen.
  • 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.
  • Mit Mutagenese ist die Erzeugung von Mutationen gemeint, die u. a. durch UV-Licht oder andere Strahlung sowie zahlreiche Chemikalien ausgelöst werden.
  • Nukleinsäure ist der Oberbegriff für DNA und/oder RNA.
  • 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.
  • Screening kommt aus dem Englischen und bedeutet Durchsiebung, Rasterung. Man versteht darunter ein systematisches Testverfahren, das eingesetzt wird, um innerhalb einer großen Anzahl von Proben oder Personen bestimmte Eigenschaften zu identifizieren. In der Molekularbiologie lässt sich so z.B. ein gewünschter Klon aus einer genomischen Bank herausfiltern.
  • Unter Selektion im biologischen Sinn versteht man die Auslese von Organismen aufgrund ihrer Merkmale. Dies kann einerseits durch natürliche Selektionsmechanismen ("survival of the fittest") im Zuge der Evolution geschehen. Unter künstlicher Selektion versteht man andererseits die Auslese von Organismen durch den Menschen, z.B. in der Zucht. Auch in der Gentechnik wird künstliche Selektion angewandt, um einen gentechnisch veränderten Organismus anhand neu eingebrachter Eigenschaften (z. B. Antibiotikaresistenz) zu identifizieren.
  • 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)
  • Die Biokatalyse ist die effiziente Herstellung von chemischen Stoffen mit Hilfe von Mikroorganismen oder Enzymen.
  • 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.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • 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.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Magnetresonanztomografie (MRT) oder auch Kernspintomografie ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen im Körperinneren. Die MRT beruht auf der Nutzung magnetischer Felder und erlaubt die Erzeugung sehr genauer Schnittbilder des menschlichen Körpers.
  • Als Fluoreszenz wird die spontane Emission von Licht bestimmter Wellenlänge nach Anregung eines Moleküls mit Licht einer anderen Wellenlänge bezeichnet.
  • 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.
Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/dossier/molekueldesign-nach-mass-und-bedarf/?prn=1