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Marina Rubini erforscht mit Leidenschaft Proteinfaltung und -design

Therapeutische Proteine sind ein wesentlicher Bestandteil moderner Pharmazie. Gerade bei Glykoproteinen ist dabei entscheidend, dass sie bei der Herstellung korrekt glykosyliert werden. Dr. Marina Rubini von der Universität Konstanz erforscht Möglichkeiten zum Proteindesign durch nichtnatürliche Aminosäuren, um so beispielsweise posttranslationale Modifikationen wie Glykosylierungen ortsspezifisch in Proteine einzubauen. Als Modell dient ihr dabei das Glykoprotein-Hormon Erythropoietin (EPO), das zu den meistverordneten Medikamenten weltweit zählt.

Krebspatienten leiden häufig nicht nur unter ihrer Erkrankung, sondern auch unter den Nebenwirkungen der Chemotherapie. Die Medikamente wirken meist gezielt auf sich stark teilende Zellen und greifen dadurch nicht nur Krebszellen, sondern beispielsweise auch Blutzellen an, die für die Neubildung von Erythrozyten verantwortlich sind. In der Folge leiden viele Patienten an Blutarmut, die häufig mit Erythropoetin (EPO) behandelt wird. EPO spielt als Wachstumsfaktor für Erythrozyten eine zentrale Rolle bei der Blutbildung und kann somit die negativen Nebenwirkungen der Chemotherapie verringern und die Prognose für die Patienten verbessern.

Dr. Marina Rubini ist Nachwuchsgruppenleiterin am Lehrstuhl für Organische Chemie und Zelluläre Chemie an der Universität Konstanz. © Marina Rubini

Um ausreichende Mengen des Proteins für therapeutische Anwendungen zu erhalten, wird EPO biotechnologisch als rekombinantes Protein produziert. Da das Hormon über Glykosylierungen, also an das Protein geknüpfte Zuckerketten (Glykane) verfügt, findet diese Produktion nicht in Bakterien, sondern in Säugerzellkulturen statt. „Bakterien können prinzipiell keine glykosylierten Proteine produzieren“, erklärt Dr. Marina Rubini von der Universität Konstanz, die sich in ihrer Forschung mit rationalem Proteindesign beschäftigt.

In Säugerzellen dagegen werden diese Glykosylierungen während oder nach der Proteintranslation an das Protein angeheftet. Die Art und das Muster der angehängten Kohlenhydrate sind aber entscheidend für den Verbleib im Blutkreislauf und damit für die Wirkdauer von EPO. Auch schützen die Zuckerketten vor dem Angriff von Proteasen, die das Protein ansonsten innerhalb kürzester Zeit degradieren würden.

Die Glykosylierungen variieren natürlicherweise sowohl zwischen verschiedenen Organismen als auch im einzelnen Individuum, so dass ein sehr heterogenes Muster entsteht, welches keine direkte Korrelation zwischen Glykanstruktur und Proteinfunktion ermöglicht. Darum entwickelt Dr. Marina Rubini einen neuen Ansatz zur Herstellung von EPO, der den spezifischen Einbau von Glykanen erlaubt. „EPO dient uns hier als Modell für die Synthese und Optimierung therapeutischer Proteine“, erklärt sie den Hintergrund des Projekts.

Glykosylierung „im Reagenzglas“

Die Biochemikerin arbeitet an einer Technik, um posttranslationale Modifikationen bei der Produktion gezielt in Proteine einzubauen. Dazu verwendet sie keine Säugerzellen, sondern E.-coli-Bakterien. „Bakterien eignen sich hervorragend zur Produktion rekombinanter Proteine, denn sie sind leicht genetisch manipulierbar und können große Mengen an Protein produzieren“, schildert Rubini. Das Problem der fehlenden Glykosylierung in Bakterien löst sie durch den Einsatz nichtnatürlicher Aminosäuren, die über spezielle funktionelle Seitenketten verfügen. Um diese in E. coli in das Protein einzubauen, wird zuerst die DNA-Sequenz an der gewünschten Stelle mutiert, um ein Stoppcodon zu erzeugen. Normalerweise würde das das Ende der Proteintranslation an dieser Stelle bedeuten. „In dem System, mit dem wir arbeiten, hat dieses Stoppcodon aber eine Sonderbedeutung und dient als Signal für den Einbau der nichtnatürlichen Aminosäure“, beschreibt Dr. Rubini das Prinzip.

Das derart modifizierte Protein kann anschließend ohne Glykosylierungen in Bakterien produziert werden. Im Anschluss erfolgt dann „im Reagenzglas“ die künstliche Anknüpfung der Glykane an die funktionellen Seitenketten der Aminosäuren.

„Click“-Chemie zur Molekülverknüpfung

Die Biochemikerin Dr. Marina Rubini arbeitet am Proteindesign durch nichtnatürliche Aminosäuren, um so beispielsweise definierte posttranslationale Modifikationen gezielt in Proteine einbringen zu können. © Marina Rubini

Die Verknüpfung der Zuckerketten mit den Aminosäuren erfolgt durch „Click“-Chemie, eine Technik speziell zur schnellen und stabilen Verbindung von Molekülen durch die selektive Verknüpfung kleiner Einheiten. Zur „Click“-Chemie zählen verschiedene Reaktionen. Im Fall von Dr. Rubinis Arbeit handelt es sich um eine sogenannte Kupfer-katalysierte Cycloaddition. „Diese Herangehensweise hat den Vorteil, dass das rekombinante Protein in E. coli mit hoher Ausbeute produziert werden und später fast beliebig modifiziert werden kann“, erläutert Dr. Rubini.

Die Technologie lässt sich theoretisch auch bei anderen therapeutischen Proteinen einsetzen. Durch die gezielte Beeinflussung der Kohlenhydratketten erwartet Dr. Rubini auch neue Erkenntnisse über die generelle Interaktion zwischen Glykanen und Proteinen. „Die gewonnenen Einsichten können dann eingesetzt werden, um die Effizienz der EPO-Verabreichung zu steigern, und im Idealfall auch, um weitere therapeutische Proteine zu optimieren“, hofft Dr. Rubini. Mit einer baldigen Anwendung von auf diese Weise produzierten Glykoproteinen bei Patienten ist allerdings nicht zu rechnen. „Leider sind wir erst am Anfang. Der Weg ist noch lang“, dämpft Dr. Rubini allzu große Hoffnungen.

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