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Vom Zufallsfund zum Forscherwerkzeug: Peptid erleichtert Gentransfer im Labor

Der Zufall führte Regie, als die Ulmer Virologen Frank Kirchhoff und Jan Münch im Zuge ihrer AIDS-Forschung auf ein interessantes Peptid stießen. Der kleine, zwölf Aminosäuren umfassende Proteinabkömmling zeigte Eigenschaften, die sofort die Neugier der Virologen weckten.

Das Ergebnis der nachfolgenden interdisziplinären Forschung mit den Ulmer Chemikern Christoph Meier und Tanja Weil war so überzeugend, dass es jetzt von Kooperationspartnern aus Hannover als Laborwerkzeug für die biomedizinische Forschung vermarktet werden soll. Und das scheint noch nicht alles zu sein. Auch die Nanotechnologen sind nach Münchs Worten an diesen sogenannten Nanofibrillen stark interessiert, wittern neue materialwissenschaftliche Anwendungen.

Ulmer AIDS-Forscher Prof. Jan Münch © Uni Ulm

Angefangen hat es damit, dass Münch mit seinen Kollegen vom Ulmer Institut für Molekulare Virologie die Interaktion des AIDS-Virus (HIV-1) mit den Zellrezeptoren genauer untersuchen wollte. Hierfür untersuchten sie den Einfluss von Peptiden des HIV-1-Hüllproteins gp120 auf den Eintritt des Virus in die Zelle.

Dabei stießen sie auf ein Peptid, das die Infektionsraten um das 34fache hochschnellen ließ. Überdies war die Aktivität des neuen Peptids höher als die von SEVI (Semen derived Enhancer of Viral Infection), einem Infektionsverstärker, den Kirchhoff und Münch bereits vor Jahren in Zusammenarbeit mit ihren Kollegen um Wolf-Georg Forssmann von der Medizinischen Hochschule Hannover entdeckt haben. Dabei handelte es sich um ein Proteinbruchstück aus dem menschlichen Sperma, das stäbchenartige Strukturen, sogenannte Fibrillen ausbildet.

Schnell, wirksam und günstig

Rasterkraftmikroskopische Aufnahme der Nanofibrillen - auch dieses Peptid "fand" der Virologe Münch im Körper. © Münch

An das SEVI-Peptid dachte Münch bei dem neu entdeckten Peptid, als dieses eine wässrige Lösung sogleich nach Zugabe eintrübte. Sein Verdacht bestätigte sich: Das neue Proteinfragment bildete wie das zuvor entdeckte SEVI-Peptid Fibrillen aus. Und es wies Eigenschaften auf, die es wert schienen, es eingehender zu analysieren. Zum einen verstärkte das neu entdeckte Peptid die Infektion effizienter als SEVI und andere bekannte Infektionsverstärker. Außerdem bildeten sich Fibrillen innerhalb von nur wenigen Sekunden aus, und nicht wie beim SEVI-Peptid erst nach Schütteln der Probe über viele Stunden hinweg. 

Warum ist eine Substanz, welche die Infektion eines potenziell tödlichen Virus verstärkt, so interessant? HIV-1 gehört zu einer Familie von Viren, die als Retroviren bezeichnet werden. Genetisch veränderte, unschädlich gemachte Retroviren werden als sogenannte Vektoren in zahlreichen Labors weltweit verwendet, um Gene in Zellen einzubringen. Diesen Prozess des Einschleusens von Genen in Zellen durch eine retrovirale Fähre bezeichnet man als Transduktion. Häufig sind allerdings die Transduktionsraten sehr gering, weshalb viele Experimente nicht durchgeführt werden können oder wiederholt werden müssen. Aus diesem Grund werden in den Forschungslaboren Transduktionsverstärker eingesetzt, wie z. B. Polybrene, Protaminsulfate oder Diethylaminoethyl (DEAE)-Dextran.

Offenkundige Vorteile im direkten Vergleich

Das Peptid verstärkt die retrovirale Transduktion, hier bei humanen Fibroblasten. © Münch

Diese Substanzen erhöhen die Gentransferraten von retroviralen Vektoren, sind aber häufig nicht sehr effizient und in höheren Dosen häufig auch toxisch. Sehr oft verwendet wird in der Stammzellforschung auch die Substanz RetroNectin, vor allem für den Gentransfer in hämatopoetische Stammzellen. Die Substanz ist zwar sehr effizient, aber hochpreisig (etwa 300 Euro pro Milligramm) und erfordert, so Jan Münch, ein ziemlich kompliziertes und deshalb auch langwieriges Protokoll. Die Ulmer Entdeckung hingegen lässt sich viel einfacher und komfortabler handhaben: Nach der Zellenaussaat gibt man die Fibrillen einfach zum Virus und dieses Gemisch dann auf die Zellen.

Münch und Kollegen haben in ihrer in Nature Nanotechnology veröffentlichten Arbeit viele verschiedene retrovirale Vektoren, die in Forschung und Klinik eingesetzt werden, hergestellt und die Transduktionswirkung der Peptidfibrillen auf viele verschiedene Zelllinien und Primärzellen überprüft - mit durchschlagendem Erfolg. Selbst Experimente mit Makrophagen, die bekannt dafür sind, dass sie nur sehr schwer transduziert werden können, bewiesen die Eignung des Peptids als Laborhelfer für die Biomedizin: Ohne Nanofibrillen betrug die Transduktionsrate zwei Prozent, bei Zugabe der Fibrillen stieg die Rate auf fast 50 Prozent, berichtet Jan Münch. 

Eine elektrostatische Brücke mit Kleber-Wirkung

Verfeinertes Molekularmodell des Peptids mit gewundener Form. Cystein (grau), Asparagin (blau), Pyrrolysin (rot), Serin (gelb). © Münch

Die Ulmer Wissenschaftler haben in Zusammenarbeit mit Kollegen in Russland, Spanien, USA und England auch geklärt, wie die Nanofibrillen die Infektion von HIV-1 beziehungsweise Transduktion durch retrovirale Vektoren verstärken. So konnten sie herausfinden, dass die Fibrillen die Anheftungsraten der Virus-Partikel an die Zelloberfläche erhöhen. Es kleben somit sehr viel mehr Viren an den Zellen und dadurch wird die Wahrscheinlichkeit des Viruseintritts in die Zelle erhöht. Die Ursache dafür haben Münch und Kollegen auch entdeckt: Es ist eine Art elektrostatische Brücke für diese höchst wirkungsvolle Interaktion verantwortlich. Und da die Virus-Membran nichts anderes als die Zytoplasma-Membran der Zelle ist, binden die Fibrillen nicht nur sehr gut an das Virus, sondern auch sehr gut an die Zelle. Für diese Kleber-Wirkung machen die Ulmer und Kollegen auch noch einige hydrophobe Wechselwirkungen verantwortlich.

Lassen sich diese Nanofibrillen auch maßschneidern?

Dr. Christoph Meier, Co-Autor der Nature-Arbeit, der mit Münch am Peptid weiterforscht. © Uni Ulm

Unterdessen arbeiten die Wissenschaftler daran zu verstehen, warum gerade das identifizierte Peptid so schnell und effizient Nanofibrillen ausbildet. In einem von der VolkswagenStiftung geförderten Projekt, versuchen die Forscher außerdem maßgeschneiderte Nanofibrillen zum zielgerichteten Gentransfer herzustellen. Das Ziel ist es, nur bestimmte Zielzellen wie zum Beispiel Krebszellen zu transduzieren, die dann einfach abgetötet werden könnten. Diese Weiterentwicklung führen sie in Zusammenarbeit mit ihren Kollegen aus der Organischen Chemie (Christoph Meier und Tanja Weil) durch. Möglicherweise dient dieser Forschungsbeifang auch als Ausgangspunkt für weitere Forschungen in anderen Disziplinen. 

„Hochinteressant sind die Ergebnisse zum Beispiel auch für die Materialwissenschaftler, die immer auf der Suche nach möglichst kleinen Bausteinen sind, die eine hochorganisierte Überstruktur bilden", so Tanja Weil.  
Die identifizierten Nanofibrillen sollen in Zukunft unter dem Handelsnamen Protransduzin vertrieben werden.

Literatur:
Münch, J. et al.: Peptide nanofibrils boost retroviral gene transfer and provide a rapid means for concentrating viruses. Nature Nanotechnology, 20.01.2013, DOI: 10.1038/NNANO.2012.248

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/vom-zufallsfund-zum-forscherwerkzeug-peptid-erleichtert-gentransfer-im-labor