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Tanja Weil: Lösungen mit Bio-Hybridmaterialien

Eine Reise um den halben Erdball war nötig, damit Tanja Weil am 1. Mai ihre neue Stelle in Ulm antreten konnte. Die 36-jährige Chemikerin war zuvor als Associate Professor an der renommierten Nationaluniversität von Singapur beschäftigt. Die neue Abteilungsleiterin am Ulmer Institut für Organische Chemie III (Makromolekulare Chemie und Organische Materialien) versucht mit Bio-Hybridmaterialien Brücken zwischen ihrer Disziplin zu Biologie, Medizin oder auch den Materialwissenschaften zu schlagen.

Diese Hybridmaterialien mischen künstliche Bausteine wie Dendrimere, Nanoröhren oder Polymere mit natürlichen wie Proteine, Aminosäuren oder Peptiden. Solche komplexen synthetisierten Riesenmoleküle folgen keinem Selbstzweck, sind kein akademisches l’art pour l’art. Zwar steht am Anfang viel Grundlagenforschung, und Intuition und Kreativität müssen sich mit geballtem Fachwissen in Organo- und Polymerchemie vereinen, erklärt Tanja Weil. Letzten Endes aber sind die Zwitter-Materialien maßgeschneidert und eine Antwort auf Anwender-Probleme wie beispielsweise der zielgerichtete Wirkstofftransport in die menschliche Zelle.

Neu in der Ulmer Chemie: Prof. Tanja Weil © Universität Ulm

Wer den Lebenslauf der frischgebackenen Ulmer Institutsdirektorin verfolgt, versteht rasch, warum die Chemikerin Grundlagenforschung und Anwendung in einem Atemzug nennt. Denn Weils Karriere fand in zwei Welten statt, in einer akademischen und einer industriellen. Teilweise führte sie sogar eine zugegebenermaßen stressige Doppelexistenz.

Kennt zwei Welten

Nach dem Chemiestudium in Braunschweig und Bordeaux promoviert Tanja Weil am Mainzer Max-Planck-Institut bei Professor Klaus Muellen mit einer preisgekrönten Arbeit zu biologisch inspirierten Polyphenylen-Dendrimeren. Nach kurzem Gastspiel in den USA nimmt sie 2002 ein Angebot des Pharma-Unternehmens Merz Pharmaceuticals an und steigt in die Alzheimer-Forschung ein.

Dort soll sie eine Gruppe aufbauen und genau das machen, was sie am meisten reizt: molekulare Wirkungsmechanismen einer biologisch aktiven Substanz entdecken, entwickeln und identifizieren, also all das, was im Chemie-Lexikon als medizinische Chemie firmiert. Obendrein muss sich die Jungforscherin nicht mit der im akademischen Milieu üblichen Kärrnerarbeit der Einwerbung von Drittmitteln herumschlagen. Bald leitet Weil die Abteilung für Medizinische Chemie und Wirkstoffdesign. Dennoch stellt Tanja Weil 2005 erste Überlegungen zur Rückkehr in die akademische Welt an.

Neuartige Materialien auf Basis von Proteinen

Andere freuen sich an kunstvoll gefalteten Proteinen, nicht so Tanja Weil, die sie erst einmal denaturiert. (Y. Wu, T.Weil, J. Am. Chem Soc. 132, 14, 5012–5014, 2010= © Weil

Da ihr Arbeitgeber sie aber nicht verlieren will, unterstützt er ihre Forschungsarbeiten. Und so forscht bald eine dreiköpfige Gruppe an Grundlagenforschungsthemen am Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung mit dem Ziel, neuartige Protein-Materialien zu entwickeln. Das Industrie-Engagement öffnet Tanja Weil die Tür zu einem neuen Forschungsgebiet und gibt ihr die hochgeschätzte Freiheit, zusätzlich zum Pharma-Broterwerb eigene Ideen zu verwirklichen.

Aus privaten Gründen nimmt sie nach sechs Jahren, 2008, an der Staatsuniversität von Singapur (NUS) eine Stelle als Associated Professor an und baut dort eine Arbeitsgruppe auf. Als sie von einer frei gewordenen Stelle mit materialwissenschaftlicher Ausrichtung erfährt, kehrt die Chemikern nach kurzem Zögern Südostasien wieder den Rücken und folgt dem Ruf in die Heimat, „weil das ganze Umfeld stimmte“. Fünf asiatische Doktoranden folgen ihrer „Chefin“ ins Schwäbische, um die herum sie ihre Arbeitsgruppe aufbauen will.

Interdisziplinäres Forschen, das die richtigen Fragen stellt

Bio-Hybridmaterialien eignen sich für medizinische Anwendungen, zum Beispiel für verbesserten Wirkstofftransport. © Weil

Ihre lange, von stetem interdisziplinären Umgang geprägte Pharma-Expertise will die neue Abteilungsleiterin nicht etwa über Bord werfen, sondern vielmehr mit der akademischen Forschung auf einer höheren Ebene verbinden, um die richtigen Fragen zu stellen und darauf aufbauend eng mit Anwendern wie beispielsweise Medizinern zusammenzuarbeiten. Sie hat Substanzen in die „Pipeline“ gebracht, weiß wie FuE bei Pharma funktioniert. Vor allem aber kennt sie die zahllosen Stolpersteine, die sich Substanzen auf dem Weg in die Klinik entgegenstellen.

In Singapur beschäftigte sich Weil vor allem mit pharmazeutischen Fragen, doch ihre Bio-Hybridmaterialien sind nicht auf medizinische Anwendungen beschränkt. Im Prinzip will die Neu-Ulmerin neue Synthesechemie entwickeln, die es einem ermöglicht, Chemie im wässrigen Medium und dort eine gerichtete Chemie zu machen. Dies sei ein notwendiger Schritt, um Chemie gezielt mit Proteinen, vielleicht auch mit DNA durchzuführen.

Komplexe Aufgaben erfordern komplexe Moleküle

Komplexe Aufgaben werden von komplexen Molekülen wie beispielsweise Proteinen erledigt, sagt die Chemikerin Weil, um gleich mit der irrigen Meinung aufzuräumen, einfache Moleküle könnten auch spielend komplexe Aufgaben übernehmen. Stattdessen verweist sie auf Proteine, die auf dem Weg in die Zelle oft zahlreichen chemischen Modifikationen unterworfen sind. Wer beispielsweise ein ideales Trägermolekül für einen hochwirksamen Krebswirkstoff entwerfen will, lande schnell bei komplexen Strukturen, die eine Vielzahl von Eigenschaften aufweisen müssen.

Für ein solches Anforderungsprofil müssen verschiedene Materialien zum Aufbau von Molekülen kombiniert werden, die diese so schlau machen, dass sie ihren Wirkort finden und ihre therapeutische Fracht freisetzen. Das geht nicht ohne Organische Chemie, Polymerchemie und Biochemie; die Weils Arbeitsgruppe auch braucht, um eine interessante Idee ihrer chinesischen Doktorandin umzusetzen: Proteine als Basis für neue Polymere zu verwenden.

Komplexe Aufgaben erfordern komplexe Makromoleküle. © Weil

Entfaltetes Protein als Basis für multifunktionale Polymere

Dazu muss das Protein erst aufgefaltet und stabilisiert werden. Dieses Makromolekül mit nur einer Kettenlänge eröffnet nach Weils Worten den Weg zum Design komplett neuer Materialien. Denn das entfaltete Protein verfügt über genau eine Sequenz, besitzt also anders als ‚wirkliche Polymere’ eine exakte Länge. Und dieser chemisch definierte Ausgangsstoff lässt sich weiter funktionalisieren zu einem multifunktionalem ‚Polymer’, dessen verschiedene Funktionen sich chemisch adressieren lassen. Natürlich ließe sich auch die Länge variieren, würde ein kleineres Protein als Ausgangsstoff gewählt, erklärt Tanja Weil.

Der Prozess des Material-Designs verläuft nicht immer geradlinig. „Da muss man sich auch überraschen lassen“, sagt die Ulmerin und nennt das Beispiel eines Kooperationspartners, dessen Nanopartikel nicht in die Zellen gelangten und der wissen wollte, ob ihr „Pseudo-Polymer“ zur Oberflächenbeschichtung tauge, war es doch bio- und zellverträglich und wies zahlreiche wasserlösliche Funktionen auf. Gesagt, probiert. Am Ende hatte Weil einen Zellsensor für pH-Änderungen entwickelt und entsprechend publiziert. Das aber, so legt Weil nahe, war nicht die ursprüngliche Idee beim Design dieses ‚Polymers’.

Neue exakt definierte Strukturen als Anhängsel

Weil hofft darauf, dass sich dieses proteinbasierte Quasipolymer mit seiner exakten Länge zur Bildung exakt bestimmter Überstrukturen induzieren lässt. Analog zu den vielkettigen richtigen Polymeren sollten an das proteinbasierte Einketten-Polymer, das idealerweise nur eine Molmasse aufweist, neue, exakt definierte Strukturen „gehängt“ werden. In einem weiteren Schritt, erklärt Weil, will ihre AG untersuchen, inwieweit diese mischungsfreien neuen Anhängsel die Eigenschaften und Überstrukturbildung beeinflussen.

Hier kommt Weils Arbeitsgruppe, die aus Chemikern, Biochemikern und Biotechnologen besteht, die starke materialwissenschaftliche Kompetenz der Ulmer Chemie zustatten. Hier sind Techniken, Verfahren und Instrumente etabliert, die es für die Charakterisierung ihrer Hybridmaterialien braucht, um sie dann weiter zu entwickeln.

Tanja Weil hat nicht allein ihre Forschung im Blick, genauso ernst nimmt sie die Lehre. Den Ulmer Studierenden will sie interdisziplinäres Denken beibringen, so wie sie es in ihren Lehrjahren erfahren hat und wie sie es in ihrer Arbeitsgruppe praktiziert. Nach ihrem Verständnis müssen Studierende und angehende Wissenschaftler lernen, eine gemeinsame Sprache zu sprechen. Dazu gehört auch, dass „ihre“ Studenten über den chemischen Tellerrand blicken und beim Kooperationspartner nachfragen, wie ihre Moleküle im Gewebe oder in Stammzellen wirken, um mit neuen Ideen und Anregungen die eigene Arbeit weiterzuentwickeln.

Fordern und Fördern, bei der ehemaligen Pharma-Managerin ist Mitarbeiterentwicklung kein Fremdwort. Das verdeutlichen Sätze wie diese: „Wir sitzen alle gemeinsam an einem Tisch und entwickeln Ideen weiter. Klar bin ich der Motor, das ist mein Job – Warum sollte ich auf all die klugen Köpfe verzichten, die wir hier ausbilden?“

Weils neue Chemie hat auch die Energie im Blick

Trotz aller Industrie-Vergangenheit betont Tanja Weil: „„Wir machen in erster Linie Grundlagenforschung in der Chemie und Polymerchemie. Nur überlegen wir uns, was könnten die Anwendungen sein. Und dann entwickeln wir auch neue Chemie“. Und diese ist längst nicht allein auf Medizin ausgerichtet. In ihrer Doktorarbeit hat sich die Chemikerin mit Farbkaskaden beschäftigt und weiß, dass sich die wirksamsten Lichtsammelsysteme in der Natur finden, im Chlorophyll, das in Blättern zu Reaktionszentren gekoppelt ist. Im Prinzip seien das Konzepte, die man für die Fortentwicklung von Solarzellen nutzen könnte, findet Tanja Weil, die um den Energieschwerpunkt auf dem Ulmer Eselsberg weiß.

Ihr erstes Semester in Ulm neigt sich dem Ende zu, viel Aufbauarbeit steht ihr noch bevor. Mit der Ulmer Community hat sich Tanja Weil schon zu vernetzen begonnen, erste Kooperationspartner gewonnen. Sie wird die Ulmer Initiativen zum Aufbau eines SFB zur Nanomedizin unterstützen, wie auch den Masterstudiengang Pharmazeutische Biotechnologie.

Im August stoßen vier Bachelor-Studenten zu ihrer Arbeitsgruppe. Mit ihnen wird Tanja Weil Standortpflege betreiben, denn sie will die Masterstudenten auf dem Ulmer Eselsberg halten, mit exzellenter Lehre und Forschung. Ist diese Integrationsphase abgeschlossen und die Synthesechemie wieder etabliert, will die Chemie-Professorin neue Initiativen starten. Vielleicht verwirklicht sich dann Weils Traum, dass ihr Molekül oder ihr Biomaterial den Anstoß zu einer Entwicklung gegeben hat, die letztendlich dem Patienten einen Nutzen bringt.

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