Protein Designer

Eiweißdesigner

und isolieren es zu einem reinen Molkenprotein. Designerproteine für Pharma- und Biotech-Anwendungen Eiweiß ist der grundlegende Baustein aller Körperzellen. In der Regel entfalten die Eiweißstoffe ihre Wirkung nicht als einzelne Einheiten, sondern nur in Kombination mit vielen anderen Eiweißstoffen. Solche Eiweißkomplexe sind in unserem menschlichen Leben von zentraler Bedeutung. Eiweiß wird in der Humanmedizin als Antibiotikum in der Entwicklung von Impfstoffen eingesetzt.

Eine internationale Arbeitsgruppe hat in Kooperation mit Prof. Dr. Stefan Bräse am KIT das innovative MultiBacTAG-System zur Herstellung von maßgeschneiderten Proteinen für biotechnische und pharmakologische Applikationen erarbeitet. Jedes lebende Wesen besitzt ein genetisches Material in seinen Körperzellen, die DNA, als Blaupause für den gesamten Körper. Einige DNA-Abschnitte sind Bauanweisungen für gewisse Eiweiße.

Proteinkomplexe selbst sind die "Maschinerie", die es erlaubt, genetische Informationen in Eiweiße zu kodieren. Das resultierende Protein hat viele verschiedene Funktionen: Besonders wichtig ist die Aufgabe von Proteinkomplexen, neue Körperzellen zu bilden und vorhandene wiederherzustellen. Alle Proteinmoleküle, die in einer gewissen Zeit in einer gewissen Zelle, nämlich dem Protein, vorhanden sind, befinden sich in einem ausgewogenen Verhältnis zwischen neuer Synthese und Proteinabbau und unterliegen somit ständigen Veränderungen in ihrer Zusammenstellung.

Als Antikörper bezeichnet man die körpereigenen Eiweiße (Immunglobuline), die von den Lymphozyten B im Zuge einer Immunreaktion entstehen. Biotechnik ist die Vermittlung aller Prozesse, die lebendige Körperzellen oder -enzymen zur Stoffumsetzung und -produktion einsetzen. Die Erbsubstanz ist die DNA (Desoxyribonukleinsäure). Bei den Enzymen handelt es sich um einen Katalysator in lebendigen Körperzellen. Bei der Escherichia coli (Abkürzung: E. coli) handelt es sich um ein im Verdauungstrakt des Menschen vorkommendes Coli-Bakterium.

In der Gentechnologie werden oft Variationen dieses Coli-Bakteriums (E. coli K12), denen es an bestimmten für das Leben in der Natur notwendigen Merkmalen von Wildtyp-Bakterien fehlt, als sogenannte Empfängerorganismen für die Verklonung von DNA-Fragmenten verwendet. Die Eukaryoten sind Lebewesen, deren Zelle einen Zellenkern und Organe besitzt. Expressionsvektoren sind Genfähren, mit denen ein Proteingen für ein Protein in eine Zelle (z.B. E. coli, Hefezellen) eingebracht werden kann.

Darüber hinaus erlaubt der Genexpressionsvektor die Umwandlung des Genes in das Protein in der Zelle, da er alle dafür notwendigen regulatorischen Elemente bereitstellt. Dies ist ein Teil der DNA, der die Erbinformation für die Herstellung eines Eiweißes oder einer funktionalen RNA (z.B. tRNA) bereitstellt. Durch den genetischen Kode wird die Zuweisung der 64 Codons der DNA oder der µRNA zu den 20 Amino-Säuren und 3 Stop-Codons bestimmt.

In jeder einzelnen Organismuszelle befindet sich die gesamte genetische Information im Erbgut. Eiweisse (oder auch Proteine) sind höhermolekulare Verbindungen von Aminen. Diese erfüllen eine Vielzahl von Aufgaben in der Zellen und machen mehr als 50% der Gesamtmasse aus. RNA hat viele verschiedene Erscheinungsformen und Aufgaben; sie ist zum Beispiel ein Informationsmuster für die Protein-Biosynthese und stellt das Erbmaterial von RNA-Viren dar.

Als Proteome bezeichnet man die Summe aller Eiweiße, die in einem lebenden Wesen, Körpergewebe oder einer Körperzelle zu einem gewissen Zeitraum unter festgelegten Voraussetzungen vorhanden sind. Molekülbiologie befasst sich mit der DNA und RNA und deren Wechselwirkung untereinander und mit Eiweiß. Ausdruck ist die Bio-Synthese eines Genproduktes (= Umwandlung von genetischer Informationen in Proteine).

Es wird üblicherweise als Umschrift von DNA zu mRNA und anschließende Übersetzung von mRNA zu Protein durchgeführt. kb ist die Kurzform für die Bezeichnung für den Begriff Kilometer. Unter Glykosylierung versteht man die Anwendung von Strukturen des Zuckers auf Eiweiße, um z.B. die Festigkeit eines Eiweißes zu erhöhen. Mit Hilfe von Eiweißkomplexen können Zellkulturen ausgelesen werden.

Da die Gensprache universal ist, kann ein Bazillus, eine Hefe oder Säugetierzelle auch ein humanes Erbgut auslesen und anschließend ein humanes Protein ausbilden. Sie werden als "Designerproteine" in Wissenschaft und Praxis eingesetzt. Diese sind der Grundstein für die Herstellung gezielter Eiweißkomplexe wie z. B. von Impfstoffen oder Mehrfach-Signalkaskadenproteinen.

Obwohl bakterielle Zellen wie E. coli den Vorzug haben, dass sie einfach zu kultivieren sind und eine gute Eiweißausbeute haben, gibt es für die Bio-Synthese von Designer-Proteinen Einschränkungen. Bei den meisten der entstehenden Proteinwirkstoffe ist eine Modifizierung erforderlich, z.B. die Glycosylierung, d.h. die Anlagerung eines Zuckerrestes, die nur mit Säugetierzellen möglich ist. "Bereits seit einigen Jahren beschäftigen wir uns mit dem " MultiBac-System ", dem Expressionsvektorsystem des Bakoluvirus, zur Herstellung von Eukaryoten.

Damit die Informationen über die gentechnisch veränderten Eiweiße in eine Zellkultur gelangen, die dann das gesuchte Produkt in großen Stückzahlen aus dem Erbgut exprimieren kann, wird ein Transportmittel, eine Form der "Genfähre" gebraucht. Die MultiBac-Anlage wurde eigens für die Produktion von Eiweißkomplexen mit vielen Subunits konzipiert. Die von Imre Berger an der ETH Zürich entwickelte und als Open-Access-Plattform am EMBL Grenoble weitergeführte Anlage beinhaltet alle einzelnen Schritte vom Einbringen der Genen in ein gebautes Genom des Baculovirus bis zur Proteinherstellung in der Insektenzelle und der Proteinanalyse in Standards.

Das Portal fördert viele Forscher aus Universitäten und Wirtschaft, um komplexe Forschungsprojekte zu forcieren. Mit einer genetischen Code-Erweiterung kann eine nicht-kanonische Amino-Säure in das erwünschte Protein (Protein of Interest, POI) an einer bestimmten Körperstelle eingebaut werden. Bei der genetischen Code-Erweiterung wird das Stoppcodon TAG in der Regel an der gewünschten Stellen in das POI-Gen eingefügt.

Mit Hilfe eines besonderen Synthetase-Paares tRNA/tRNA kann nun das erwünschte Protein mit der seitlichen spezifischen Modifizierung, d.h. mit der unnatürlich nicht-kanonischen Amino-Säure, ausgedrückt werden. Mit dem MultiBac-System, der Erweiterung des Gen-Codes und dem eigens entwickelten Synthetase-Paar tRNA/tRNA ist es dem international tätigen Forscherteam geglückt, Eiweißkomplexe in Zellen von Insekten zu produzieren, die unnatürlich wirkende essentielle Fettsäuren enthalten.

"Mit dem MultiBac-System und den seitlichen gentechnologischen Verfahren, dem sogenannten MulitBacTAG, sind wir in der Lage, die gewünschten Eiweiße mit integrierten Target-Funktionalitäten in großen Stückzahlen herzustellen", sagt Bräse. Zum Beispiel konnten die Chemiker Herceptin produzieren, ein Protein, das als Antiköper bei Brustkrebs eingesetzt wird. "MulitBacTAG bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten für die Gestaltung von Proteinen in der Biotechnologie und Pharmazie.

Davon kann die Forschung an Eiweißkomplexen und ihren funktionalen Interaktionen profitieren", erläutert Bräse die vielversprechenden Aussichten.

Mehr zum Thema