Ein Trojanisches Pferd für künstliche Aminosäuren

Das Leben kennt 20 Aminos?ure-Bausteine, aus denen es die Proteine zusammensetzt. Die Beschr?nkung auf 20 Bausteine erm?glicht zwar eine grosse Vielfalt an Proteinstrukturen und Funktionen, setzt aber auch klare chemische Grenzen. Im Labor hingegen k?nnen Chemikerinnen und Chemiker theoretisch tausende k¨¹nstliche Aminos?uren synthetisieren, viele davon mit v?llig neuen Eigenschaften.  

Durch biotechnologische Methoden lassen sich diese k¨¹nstlichen Bausteine gezielt in Proteine lebender Zellen einbauen. ?Proteine mit spezifisch platzierten unnat¨¹rlichen Aminos?uren er?ffnen sowohl f¨¹r medizinische und industrielle Anwendungen als auch f¨¹r die wissenschaftliche Forschung viele neue M?glichkeiten?, erkl?rt Kathrin Lang, Professorin f¨¹r chemische Biologie an der ETH Z¨¹rich.  

Ein bakterielles Transportsystem gekapert 

Bisher ist der gezielte Einbau von synthetischen Aminos?uren in Proteine allerdings noch deutlich ineffizienter als die Herstellung von Proteinen, die nur aus den 20 nat¨¹rlichen Aminos?uren bestehen. Anwendungen blieben deshalb meist auf kleine Forschungsans?tze beschr?nkt. Ein wesentlicher Engpass: Unnat¨¹rliche Aminos?uren gelangen oft nur in sehr kleinen Mengen in die f¨¹r die biotechnologische Produktion verwendeten Bakterien. 

Langs Gruppe hat nun eine L?sung entwickelt, die es erlaubt, k¨¹nstliche Aminos?uren effizient in Bakterien einzuschleusen. Damit wird die Erweiterung des Aminos?uren-Werkzeugkastens f¨¹r den breiten Einsatz in der Medizin und in der biotechnologischen Industrie praktikabel. Die Forschenden haben daf¨¹r ein nat¨¹rliches Transportsystem des Bakteriums E. coli gekapert. Es sorgt normalerweise daf¨¹r, dass kurze Protein-Schnipsel, sogenannte Peptide, aus der Umgebung in die Zelle transportiert werden.  

Dieses Transportsystem besteht aus zwei Einheiten: einem Kanal in der Zellmembran und einer Shuttle-Komponente. Diese Shuttle-Einheit erkennt drei bis vier Aminos?uren lange Peptide und bringt diese zum Kanal, der sie dann in das Innere der Zellen schleust. Dort werden die Peptide in ihre einzelnen Aminos?urebausteine zerlegt, die dann der Zellmaschinerie f¨¹r die Synthese von neuen Proteinen zur Verf¨¹gung stehen. Weil das System f¨¹r alle nat¨¹rlichen Aminos?uren-Kombinationen funktionieren muss, ist es nicht sehr w?hlerisch. Auch Peptide, die k¨¹nstliche Aminos?uren enthalten, werden eingeschleust, viele allerdings nur in kleinen Mengen oder gar nicht. 

Mit evolution?rem Ansatz zur spezifischen Bindung 

Damit das Transportsystem auch grosse Mengen unnat¨¹rlicher Aminos?uren importieren kann, haben die Biochemiker:innen der ETH zwei Tricks angewendet: Zum einen verpackten sie die unnat¨¹rlichen Aminos?uren in kurze synthetische Peptide, in denen sie von nat¨¹rlichen Bausteinen umgeben sind. Diese getarnte Fracht l?sst der Transporter bereitwillig passieren ¨C sie ist ein molekulares Trojanisches Pferd.  

Zum anderen ver?nderten die Forschenden zus?tzlich die Shuttle-Komponente gezielt. Sie bestimmten dazu die molekulare Struktur der Bindungsstelle f¨¹r die Peptide im Shuttle. Anschliessend ver?nderten sie diesen Bereich in Experimenten systematisch und schrittweise, bis die Bindungsstelle auf ein bestimmtes Peptid mit k¨¹nstlichen Aminos?uren zugeschnitten war. 

F¨¹r dieses Zuschneiden nutzen die Forschenden Methoden, welche die biologische Evolution im Schnellzugstempo nachahmen. Mit diesem Vorgehen l?sst sich das Transportsystem nun f¨¹r unterschiedlichste Peptide mit unnat¨¹rlichen Aminos?uren massschneidern. So gelang es dem Team unter anderem, auch sehr sperrige oder negativ geladene Aminos?uren einzuschleusen, die bisher gar nicht in Zellen importiert werden konnten.  

?Die unnat¨¹rlichen Aminos?uren stehen nun in den in der Biotechnologie am h?ufigsten genutzten E. coli-Zellen in grossen Mengen zur Verf¨¹gung und k?nnen mittels Methoden der Erweiterung des genetischen Codes effizient in Proteine eingebaut werden?, sagt Tarun Iype, Doktorand in Langs Gruppe und einer der Erstautoren der Studie. 

?Damit lassen sich Designerproteine, die unnat¨¹rliche Aminos?uren enthalten, in vielen F?llen genauso effizient produzieren wie ihre nat¨¹rlichen Pendants?, erg?nzt Maximilian Fottner, Wissenschaftler in Langs Gruppe und ebenfalls Studien-Erstautor. Die ETH Z¨¹rich hat die neue Methode zum Patent angemeldet. 

System um andere unnat¨¹rliche Molek¨¹le erweitern 

Aktuell funktioniert die Methode in E. coli-Bakterien. ?Wir arbeiten daran, auch in menschlichen Zellen ein vergleichbares System zu konstruieren?, sagt Lang. ?Mit diesem liessen sich Proteine herstellen, die alle menschlichen Besonderheiten enthalten, was sie f¨¹r verschiedenste therapeutische Einsatzm?glichkeiten besser geeignet machen w¨¹rde.? 

Die Pl?ne der ETH-Biochemiker:innen reichen aber auch ¨¹ber Aminos?uren hinaus, wie Lang berichtet: ?Wir wollen das System so weiterentwickeln, dass sich auch andere, bisher nicht zellg?ngige Molek¨¹le in Zellen einschleusen lassen.? Diese k?nnten dann zum Beispiel als Ausgangsstoffe dienen, um komplexe chemische Verbindungen, die sich bisher nur mit grossem Aufwand synthetisieren liessen, effizient biotechnologisch herzustellen.