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Virtuelles Screening von Datenbanken spart Zeit und Kosten

Um der immer stärker werdenden Informationsflut in den Life-Science-Wissenschaften Herr zu werden, errichtete die internationale Forschungsgemeinschaft in den vergangenen Jahren zahlreiche elektronische Datenbanken. Mit Hilfe ausgefeilter Softwareprogramme lassen sich die darauf gespeicherten Informationen inzwischen hervorragend analysieren. Parallel zu den arbeitsintensiven Screening-Verfahren, die mit hohem experimentellem Aufwand im Labor durchgeführt werden, kommen deshalb heute vermehrt auch computergestützte Methoden zum Einsatz.

Wenn Naturwissenschaftler untereinander über Bibliotheken sprechen, meinen sie meistens nicht die klassischen Lehrbuch- und Zeitschriftensammlungen, die zur Grundausstattung an jeder Universität gehören. Stattdessen ist von jenen Datenbanken die Rede, auf denen zum Beispiel die Informationen über bestimmte Hefen, Bakterienstämme oder auch einzelne Protein-Familien gespeichert sind. In vielen Forschungslaboratorien gehören diese immer umfangreicher werdenden Datenbanken inzwischen zum unverzichtbaren Handwerkszeug – so auch am Institut für Technische Biochemie (ITB) an der Universität Stuttgart. Dort nutzt man diese Informationen aber nicht nur für die tägliche Arbeit. Die Arbeitsgruppe Bioinformatik am ITB ist unter der Leitung von Professor Dr. rer.nat. Jürgen Pleiss auch selbst am Aufbau solcher Bibliotheken beteiligt.

Eine jener elektronischen Datenbanken, die am ITB entwickelt wurden, ist die „Lipase Engineering Database“. „Die Enzymklasse der Lipasen ist aufgrund ihrer biochemischen Eigenschaften für biotechnologische Anwendungen äußerst attraktiv“, berichtet Pleiss. Bei den Lipasen handelt es sich nämlich um hochselektive chirale Katalysatoren - das heißt, sie können zwischen Molekülen differenzieren, die sich nur aufgrund ihrer Symmetrie gegeneinander abgrenzen lassen. „Das ist vergleichbar mit dem Unterschied zwischen rechter und linker Hand“, veranschaulicht Pleiss den Begriff der Chiralität. Ein gängiges Beispiel aus dem Alltag sind auch die rechtsdrehenden und linksdrehenden Milchsäuren im Joghurt.

Mit dem richtigen Enzym zum gewünschten Produkt

Prof. Dr. Jürgen Pleiss leitet am ITB die Arbeitsgruppe Bioinformatik. (Foto: Bochum/BioRegio STERN)
Obwohl chirale Moleküle im Prinzip die gleichen chemischen Eigenschaften besitzen, können sie im Organismus völlig entgegengesetzte Wirkungen entfalten. „Gerade bei Medikamenten kann das eine große Rolle spielen“, weiß Pleiss. Während beispielsweise die eine räumliche Variante (Enantiomer) des Schmerzmittels Ibuprofen hoch potent ist, ist die andere wirkungslos. Bei anderen Substanzen kann der Unterschied noch wesentlich dramatischer sein – bis hin zur Toxizität. „Deshalb ist es sehr wichtig, dass wir stereoselektive Syntheseverfahren entwickeln, bei denen nur eines der beiden Enantiomere entsteht“, erklärt Pleiss. Und hier schlägt jetzt in zunehmendem Maße die Stunde der Lipasen – und damit auch der „Lipase Engineering Database“.

Um das für eine bestimmte chemische Reaktion am besten geeignete Mitglied der Lipasen-Familie ausfindig zu machen, gibt es im Prinzip eine Reihe unterschiedlicher Methoden. Besonders vielversprechend ist dabei ein als Molekulares Docking bezeichnetes Verfahren. Mit Hilfe von speziellen Computerprogrammen wird dabei die Wechselwirkung potenzieller Liganden mit bestimmten Enzymvarianten modelliert und berechnet. „Wir haben dadurch jetzt die Möglichkeit, gezielt jene Enzyme zu identifizieren, mit denen sich bestimmte chemische Reaktionen mit hoher Aktivität und Selektivität durchführen lassen“, so Pleiss. Inzwischen lassen sich auf diese Weise selbst die umfangreichsten Datenbanken schnell und zuverlässig durchsuchen – ein Vorgang, den die Wissenschaftler deshalb auch als Virtuelles Screening bezeichnen. „Die am Computer in silico getroffene Vorauswahl muss anschließend natürlich noch in vitro überprüft werden“, erläutert Pleiss das Vorgehen. Doch die Zahl der notwendigen biochemischen Experimente im Labor reduziert sich dadurch beträchtlich – was wertvolle Zeit und Kosten spart.

Enzymvarianten beeinflussen Stoffwechselprozesse

Inzwischen gehen die Wissenschaftler am ITB aber sogar noch einen Schritt weiter. „Wir können mit Hilfe von Computersimulationen zeigen, dass wenn man an bestimmten Stellen in der aktiven Bindungstasche eines Enzyms Mutationen einführt, sich die Aktivität und Selektivität des Enzyms entscheidend verändern kann“, berichtet Pleiss. Dieser Aspekt ist gerade für die biotechnologische Nutzung der Biokatalysatoren von großer Bedeutung. „Auf diese Weise können wir jetzt Substanzen herstellen, die mit anderen chemischen Verfahren nicht so einfach zu machen sind“, sagt Pleiss.
Das Bild zeigt das computergenerierte grüne Modell eines Enzyms. Rot markiert ist das aktive Zentrum des Enzyms.
Kristallstruktur der Cytochrome P450 2C9 Monooxygenase. Mutationen in der aktiven Bindungstasche können die biochemischen Eigenschaften verändern. (Abbildung: Pleiss, Universität Stuttgart)
Solche Mutationen können letztlich auch zum Verstehen komplexer Stoffwechselvorgänge beitragen. Die Enzymklasse der Cytochrom P450 Monooxygenasen, für die am ITB im vergangenen Jahr ebenfalls eine Datenbank errichtet wurde, spielt beim Menschen eine große Rolle bei der Entgiftung von Medikamenten. Das menschliche Genom kodiert für 60 verschiedene P450 Monooxygenasen, allerdings ist die Ausstattung nicht bei allen Menschen gleich. Es gibt nämlich erblich bedingte Variationen in der DNA-Sequenz – so genannte „Single Nucleotide Polymorphisms“ (SNPs) - die dazu führen, dass entweder weniger Enzym oder ein Enzym mit veränderten Eigenschaften gebildet wird. Die Folge ist, dass bei einigen Personen bestimmte Medikamente sehr viel langsamer abgebaut werden oder dass toxische Nebenprodukte entstehen. „Das Vorliegen bestimmter SNPs in den Monooxygenasen erfordert deshalb im Prinzip eine individuelle Dosisanpassung“, so Pleiss. Noch weiß man insgesamt aber zu wenig über die genauen biochemischen Eigenschaften dieser Enzymvarianten, um wirklich verlässliche Vorhersagen treffen zu können. „Doch genau das wollen wir jetzt in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Klinische Pharmakologie am Robert-Bosch-Krankenhaus in Stuttgart modellieren und verstehen“, berichtet Pleiss. Und die neu geschaffene Datenbank wird den Wissenschaftlern auch dabei wieder ein wichtiges Screening-Hilfsmittel sein.

sb - 30.09.08
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH

Weitere Informationen zum Beitrag:
Universität Stuttgart
Institut für Technische Biochemie
Prof. Dr. Jürgen Pleiss
Allmandring 31
70569 Stuttgart
Tel.: 0711 685-63191
Fax: 0711 685-63196
E-Mail: juergen.pleiss@itb.uni-stuttgart.de

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/pm/virtuelles-screening-von-datenbanken-spart-zeit-und-kosten