Jagd auf Proteine

Im Rahmen des LOEWE-Projekts TRABITA forscht Prof. Dr. Franz-Josef Meyer-Almes vom Fachbereich Chemie- und Biotechnologie der Hochschule Darmstadt (h_da) an neuartigen pharmazeutischen Wirkstoffen. Sie könnten eines Tages gegen Krankheiten wie Brustkrebs, Diabetes oder Chorea Huntington eingesetzt werden. An „TRABITA“ sind elf Arbeitsgruppen von drei hessischen Hochschulen beteiligt. Ihr Ziel ist es, die Rhein-Main-Region zu einem Zentrum der Pharmaforschung zu machen.

Von Christina Janssen, 10.1.2022

Franz-Josef Meyer-Almes ist ein Höhlenforscher der besonderen Art. Die Höhlen, die der h_da-Professor erkundet, beherbergen keine Wandmalereien aus der Steinzeit, sondern beispielsweise Zink-Ionen: Der Biochemiker untersucht winzige Einstülpungen in Protein-Molekülen, kleiner als Millionstel Millimeter.

Sehr speziell, möchte man meinen. Doch die Forschung an diesen „Kavitäten“, die man nur mit hockkomplizierten Verfahren sichtbar machen kann, birgt enormes Potenzial. Das liegt daran, dass bestimmte Protein-Moleküle in unserem Körper an der Entstehung schwerer Krankheiten beteiligt sein können. Dazu zählen Krebserkrankungen, Diabetes oder Chorea Huntington. Wenn man es mit einer neuen Generation von Wirkstoffen schaffen würde, die krankmachenden Proteine auszuschalten, gäbe es größere Heilungschancen für Millionen Patienten. Genau das ist das Ziel des LOEWE-Projekts TRABITA.

Und hier kommt die Höhlenforschung ins Spiel: Damit ein Medikament ein krankmachendes Protein unschädlich machen kann, muss der Wirkstoff an das Protein binden. Andockstelle sind die besagten Kavitäten. Sie sind wie Schlüssellöcher, für die Pharmaforscher die passenden Schlüssel suchen. Das ist nicht allein wegen der Winzigkeit dieser Strukturen eine Herausforderung, sondern überdies aufgrund einer speziellen Tücke der Protein-Moleküle: Ihre Einstülpungen verändern sich, verborgene Seitentaschen können sich öffnen und schließen. Warum, wann und wie, gibt Wissenschaftlern noch ein Rätsel auf. „Es ist, als würde bei Ihnen jeden Tag jemand das Haustürschloss austauschen“, sagt Professor Meyer-Almes.

Die Jagd auf Proteine verläuft in vielen kleinen Schritten

Daher auch der Projektname: TRABITA. Das Kürzel, das entfernt an eine Oper von Verdi erinnert, steht für „Transiente Bindungstaschen“. Mit Bindungstaschen sind jene Kavitäten gemeint, denen Meyer-Almes und sein Team auf der Spur sind. Als transient werden sie bezeichnet, weil sie in einem Molekül immer nur vorübergehend auftreten. Meyer-Almes untersucht solche „TRABITAs“ in einer speziellen Art von Proteinen, den sogenannten Histon-Deacetylasen, kurz HDACs. Sie interagieren im Zellkern mit dem Erbgut, also der DNA, aber auch mit anderen Proteinen in der Zellflüssigkeit. So steuern HDACs bestimmte Prozesse in der Zelle. Gerät das komplizierte Protein-Netzwerk einer Zelle aus dem Gleichgewicht, können im schlechtesten Fall Tumorzellen entstehen und deren Wachstum gefördert werden.

Wie schön wäre es also, man könnte einfach den Schlüssel ins Protein-Schloss stecken und beliebig viele Schlüsselkopien anfertigen. Fertig wäre der Wirkstoff. Doch so einfach ist es nicht. Die Arbeitsgruppe von Prof. Meyer-Almes hat bereits einige neue Moleküle, die die konservierte Bindungstasche der HDACs blockieren, entwickelt und zum Teil patentiert. Einen wichtigen Meilestein hat Meyer-Almes allerdings noch nicht erreicht: einen Wirkstoff in einer „transienten Bindungstasche“ zu kristallisieren. Die Jagd auf die Proteine verläuft in vielen, kleinen Schritten. „Da ist eine Menge Frustrationsfähigkeit gefragt“, betont der Wissenschaftler.

Der erste Schritt ist es, HDAC-Moleküle in unterschiedlichen Varianten herzustellen. „100 Varianten streben wir an“, erläutert Meyer-Almes. „So können wir herausfinden, wie sich kleinste molekulare Veränderungen im Protein auf das Zusammenspiel mit einem bestimmten Wirkstoff auswirken.“ Gewonnen werden die Varianten aus genetisch veränderten Stämmen des Bakteriums E. coli, das in der Mikrobiologie häufig eingesetzt wird. Die Einzeller werden im Labor gezüchtet. In großen Mengen schwappt die braune Bakterien-Brühe in einer Art Brutkasten über Nacht in Glaskolben vor sich hin, wird gewärmt und geschüttelt, bis die Einzeller-Konzentration in der Lösung hoch genug ist. Danach werden die Bakterien mit Ultraschall-Stoßwellen zertrümmert und die einzelnen Bestandteile durch Zentrifugation und mehrere chromatographische Verfahren säuberlich voneinander getrennt.

Austausch mit Partnern in aller Welt

„Wir arbeiten hier im sogenannten S1-Bereich“, betont Meyer-Almes. „Das heißt, diese Organismen sind per definitionem nicht gefährlich.“ Er selbst habe sogar aus Versehen einmal in der Bakterien-Brühe geduscht, als ein Schlauch von einem großen Bioreaktor abgerissen sei. Der Laborkittel wurde danach sterilisiert – sicher ist sicher. „Und ich durfte eine Runde putzen.“ Nicht gerade vergnüglich: E.coli ist ein Darmbakterium und verbreitet entsprechende Gerüche. Ekelhaft sei das gewesen, bestätigt Meyer-Almes, aber keinerlei gesundheitliche Bedrohung. „Ich kann garantieren, dass unsere Bakterien-Stämme nur in der Nährlösung überleben können. Wenn ich sie in die Kanalisation geben würde, was wir aber nicht tun, würden sie absterben.“

Parallel zur aufwändigen und olfaktorisch herausfordernden Herstellung der Proteine läuft in Meyer-Almes‘ Laboren die Synthese potenzieller Wirkstoffe. Von einigen Substanzen weiß man schon, dass sie die HDAC-Moleküle lahmlegen können. Dazu zählen die sogenannten Hydroxamsäuren. Sie binden an das Zink-Ion in den Bindungstaschen der HDAC-Proteine. Das Problem: Die Hydroxamsäuren tun das bei jedem Zink-Komplex, reagieren also nicht spezifisch genug. „Und das bedeutet für die Patienten: Es kann zu unerwünschten Nebenwirkungen kommen“, erläutert der Professor. „Außerdem stehen Hydroxamsäuren im Verdacht, krebserregend zu sein.“ Man würde damit also möglicherweise versuchen, den Teufel mit dem Beelzebub auszutreiben.

Die Gruppe von Meyer-Almes fahndet deshalb nach Wirkstoffen, die selektiv nur die Ziel-Proteine ausschalten. In seinem Labor verfügt der Biochemiker über eine Datenbank mit rund 15.000 Substanzen, die stetig wächst. Meyer-Almes steht mit Forscherinnen und Forschern aus aller Welt in Kontakt, die neue Substanzen entwickeln und untereinander austauschen. Auch eine Reihe von Wirkstoffen, die eine Kollegin aus Indien produziert hat, testet Meyer-Almes in seinem Labor. Auf einem Kongress in Singapur war er darauf gestoßen: „Ich habe mir die Struktur dieser Substanzen genau angeschaut und dachte: Die könnten vielleicht passen.“ Die Kollegin schickte ihm einige Proben. „Und siehe da – manche davon haben funktioniert.“ So viel Intuition, Trial und Error steckt in der Forschung. „Intuition ist, meine ich, eine der wichtigsten Eigenschaften von Forschenden überhaupt. Ohne dass man auch mal eine wirklich schrille Idee ausprobiert, gibt es meines Erachtens keinen Fortschritt.“

Rhein-Main-Region soll Zentrum für Pharmaforschung werden

Wie aber findet „Höhlenforscher“ Meyer-Almes heraus, ob es tatsächlich schnackelt zwischen Wirkstoff und Protein? Auch hier ist neben Fingerspitzengefühl hochkomplizierte Technik gefragt. „Wir arbeiten beispielsweise mit einem ITC-Gerät.“ ITC steht für Isothermale Titrationskalorimetrie. In der unscheinbaren weißen Apparatur werden die zu untersuchenden Substanzen aufeinander losgelassen. Sobald eine chemische Reaktion stattfindet, misst das Gerät kleinste Temperaturunterschiede. „Wir sprechen hier von Zehntausendsteln Grad in winzigen Flüssigkeitsmengen.“ Erstaunlich, was Meyer-Almes und Team daraus ablesen können: „Wenn die Temperatur sinkt oder steigt, wissen wir schon mal: Bei der Bindung wird Wärmeenergie freigesetzt oder verbraucht.“

Durch die exakte Analyse der Titrationskurve kann außerdem bestimmt werden, wie stark die Bindung zwischen Protein und Wirkstoff ist. Zudem können die Forschenden weitere thermodynamische Größen ablesen. So entsteht eine Art Visitenkarte. „Wir kombinieren diese Bindungsprofile dann mit allen Informationen, die wir über die Struktur der beteiligten Moleküle haben. So können wir verstehen, wie einzelne Molekülgruppen die chemische Reaktion beeinflussen. Das ist eine entscheidende Methode in der Wirkstoffentwicklung. Es ist wichtig zu wissen, wie stark ein Wirkstoff sich an das Protein bindet.“ Denn: Je stärker die Bindung, desto vielversprechender der Wirkstoff. Angestrebt werden dabei Substanzen, die aus möglichst wenigen Atomen bestehen. Solche niedermolekularen Wirkstoffe gelten als besonders effizient und sind zudem recht einfach herzustellen.

Präparate, die über das Andocken an „transienten Bindungstaschen“ funktionieren, sind bislang eine Rarität. „Wenn man sie überhaupt entdeckt hat, war das bei der Entwicklung des Medikaments jedenfalls nicht so geplant“, stellt Meyer-Almes fest.  Mit dem Projekt TRABITA leisten die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler also Pionierarbeit. Die Konsortialführung liegt bei der TU Darmstadt, außerdem ist die Goethe-Universität Frankfurt mit mehreren Arbeitsgruppen beteiligt. Das Land Hessen fördert das Vorhaben für vier Jahre mit gut 4,5 Millionen Euro.

„Wir haben begründete Hoffnung auf grundlegende neue Erkenntnisse, weil wir uns im Rahmen von TRABITA auf eine Fragestellung konzentrieren können, die andere immer nur am Rande behandelt haben.“ Ob es gelingen kann, transiente Bindungstaschen vollständig zu verstehen? Meyer-Almes lächelt. „Keine Ahnung. Es wäre schon ein Riesengewinn, wenn wir Teilaspekte verstehen.“ Das ist Forschung. Und die soll, was die „TRABITAs“ betrifft, möglichst in einem Sonderforschungsbereich verstetigt werden. „Unser Anspruch ist es, die Rhein-Main-Region zu einem großen Pharmaforschungszentrum zu machen,“ sagt Meyer-Almes. Er trägt mit seiner Höhlenforschung anderer Art dazu bei.

Website von Prof. Dr. F.-J. Meyer-Almes: fbc.h-da.de/meyer-almes-franz-josef
Projektwebsite: www.chemie.tu-darmstadt.de/trabita/trabita_d/index.de.jsp

 

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Christina Janssen
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