19.03.2020 - Technische Universität München

Zuckerstrukturen auf Viren und Tumorzellen blockieren

Künstliches zuckerbindendes Protein könnte Zellwachstum bremsen

Bei einer Virusinfektion gelangen Viren in den Organismus und vermehren sich in den Körperzellen. Viren setzen sich oft gezielt auf die Zuckerstrukturen der Zellen ihres Wirts oder präsentieren ihrerseits charakteristische Zuckerstrukturen auf ihrer Oberfläche. Forscher der TUM haben ein neuartiges Proteinreagenz zur Erkennung biologischer Zuckerstrukturen entwickelt, das die Ausbreitung einer Erkrankung im Körper blockieren kann, wenn es an die Zuckerstrukturen einer Zelle oder eines Erregers andockt.

Das Labor von Arne Skerra, Professor für Biologische Chemie, an der Technischen Universität München (TUM) beschäftigt sich mit der Herstellung von künstlichen Bindeproteinen, die für therapeutische Zwecke einsetzbar sind. Aktuelle Forschungsergebnisse des Labors eröffnen nun den Weg zur Entwicklung neuartiger Bindeproteine für biologische Zuckerstrukturen, die sowohl bei Krebs- als auch bei Infektionserkrankungen eine große Rolle spielen.

Erkennung biologischer Zuckerstrukturen

„Die Erkennung von speziellen Zuckermolekülen, sogenannten Kohlenhydraten, ist bei vielen biologischen Prozessen von entscheidender Bedeutung“, erklärt Prof. Skerra. Damit der Körper erkennt, wohin welche Zellen gehören oder ob Zellen fremd sind, haben diese häufig einen Marker aus Zuckerketten, die an die Außenseite der Zellmembran oder an Membranproteine geknüpft sind. Auch Krankheitserreger verfügen über eigene Zuckerstrukturen oder können sich daran festsetzen.  

Proteine, die vielfältigen Funktionsträger aller Zellen, haben jedoch ganz allgemein eine geringe Affinität gegenüber Zuckern. Deren molekulare Erkennung ist also schwierig. Grund dafür: Wasser sieht den Zuckermolekülen ähnlich, so dass diese in der wässrigen Umgebung der Zellen quasi getarnt sind. Die Gruppe von Prof. Skerra machte sich auf die Suche nach einem künstlichen Bindeprotein mit einer chemischen Gruppierung, die die biologischen Zuckerstrukturen leichter erkennen lässt.

Borsäuregruppe als Aminosäure in Protein eingebaut

Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine. Üblicherweise nutzt die Natur für die Vielfalt der Proteine nur 20 Aminosäuren. „Mit den Mitteln der Synthetischen Biologie nutzten wir zusätzlich eine künstliche Aminosäure“, berichtet Forscherin Carina A. Sommer.

„Uns ist es gelungen, eine Borsäuregruppe, die von sich aus Affinität zu Zuckermolekülen hat, gezielt in die Aminosäurekette eines Proteins einzubauen. Damit haben wir eine grundlegende neue Klasse von Bindeproteinen für Zuckermoleküle kreiert“, erklärt Sommer. Diese künstliche Zuckerbindefunktion ist natürlichen Bindeproteinen (so genannten Lektinen) in ihrer Stärke und auch den Möglichkeiten zur spezifischen Ausgestaltung überlegen.

„Die Zucker-Bindungsaktivität von Borsäure und ihren Derivaten ist seit fast einem Jahrhundert bekannt“, sagt Prof. Skerra. „Borsäure ist in der unbelebten Natur verbreitet und kaum toxisch, aber sie wird von Organismen bislang praktisch nicht genutzt.“

„Mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse haben wir es geschafft, die Kristallstruktur eines Modell-Komplexes dieses künstlichen Proteins aufzuklären und konnten damit unser biomolekulares Konzept bestätigen“, erklärt Wissenschaftler Dr. Andreas Eichinger.

Nächster Schritt: Entwicklung für konkrete medizinische Anwendungen

Nach etwa fünf Jahren Grundlagenforschung kann die Entwicklung aus Prof. Skerras Labor nun für konkrete medizinische Anwendungen genutzt werden. „Unsere Erkenntnisse sollten nicht nur die zukünftige Entwicklung von neuartigen Kohlenhydratliganden in der Biologischen Chemie unterstützen, sondern sie ebnen den Weg zu hochaffinen Wirkstoffen zur Ansteuerung oder Blockierung medizinisch relevanter Zuckerstrukturen auf Zelloberflächen“, fasst Prof. Skerra zusammen.

Das „Blockierungsmittel“ könnte beispielsweise bei Erkrankungen zum Einsatz kommen, bei denen starkes Zellwachstum oder das Andocken von Krankheitserregern an Zellen eine Rolle spielt, also in der Onkologie und der Virologie. Wenn es gelingt, die Zuckerbindungsfunktion zu blockieren und die Erkrankung zu bremsen, verschafft man damit dem Immunsystem mehr Zeit, die körpereigene Abwehr vorzubereiten.

Fakten, Hintergründe, Dossiers

  • Virusinfektionen
  • Viren
  • Bindeproteine
  • Krebs
  • Infektionskrankheiten

Mehr über TUM

  • News

    Molekulares Monitoring der RNA-Regulation

    Je besser wir zelluläre Prozesse wie die RNA Regulierung verstehen, desto gezielter können Medikamente entwickelt werden. Besonders schwierig war es bisher, die Regulierung nichtkodierender RNA nachzuverfolgen, also RNA, die nicht weiter zu Proteinen umgesetzt wird. Ein Forschungsteam der T ... mehr

    Synthetische Peptide könnten Bildung schädlicher Ablagerungen verhindern

    Bei der Alzheimer-Demenz geht der Untergang der Hirnzellen mit der Bildung von schädlichen Eiweißaggregaten und -ablagerungen, den sogenannten Amyloid-Plaques, einher. Ähnliche Prozesse spielen aber auch beim Typ-2-Diabetes eine wichtige Rolle. Einem Forschungsteam unter der Führung der Tec ... mehr

    Erster elektrischer Nanomotor aus DNA-Material

    Einem Forschungsteam unter Leitung der Technischen Universität München (TUM) ist es erstmals gelungen, einen molekularen Elektromotor mit der Methode des DNA-Origami herzustellen. Die winzige Maschine aus Erbgut-Material setzt sich selbst zusammen und wandelt elektrische Energie in Bewegung ... mehr

  • q&more Artikel

    Vitalkleber, ein Protein mit Potenzial

    In fast jedem der 17 Ziele der Agenda 2030 für eine nachhaltige Entwicklung spielen Lebensmittel und deren Wertschöpfungskette eine wichtige Rolle [1]. Mit der Agenda haben die Vereinten Nationen einen globalen Handlungsrahmen geschaffen, der sich an alle gesellschaftlichen Akteure richtet. mehr

    Biobasierte Rohstoffströme der Zukunft

    Der anthropogene Klimawandel und die steigende Weltbevölkerung im Verbund mit zunehmender Urbanisierung induzieren globale Herausforderungen an unsere Gesellschaft, die nur durch technologische Fortschritte gelöst werden können. mehr

    Ein Geschmacks- und Aromaschub im Mund

    Der Ernährungstrend hin zu gesünderen Snacks ist ungebremst. Snacks aus gefriergetrockneten Früchten erfüllen die Erwartungen der Verbraucher an moderne, hochwertige Lebensmittel. Allerdings erfordert die Gefriertrocknung ganzer Früchte lange Trocknungszeiten ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Thomas Becker

    Thomas Becker, Jahrgang 1965, studierte Technologie und Biotechnologie der Lebensmittel an der Technischen Universität München (TUM). Im Anschluss arbeitete er von 1992 bis 1993 als Projektingenieur in der Fa. Geo-Konzept. Die Promotion erfolgte 1995 an der TUM. Von 1996 bis 2004 war er als ... mehr

    Monika C. Wehrli

    Monika Wehrli, Jahrgang 1994, schloss ihr Studium mit Schwerpunkt Lebensmittelverfahrenstechnik an der ETH Zürich ab. Seit 2018 forscht sie an der Technischen Universität München am Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie, wo sie ihre Promotion im Bereich Getreidetechnologie und -verfah ... mehr

    Prof. Dr. Thomas Brück

    Thomas Brück, Jahrgang 1972, absolvierte sein Bachelorstudium (B.Sc.) 1996 in den Fächern Chemie, Biochemie und Management an der Keele University in Stoke on Trent, U.K. Er hält einen Masterabschluss (1997) in Molekularmedizin von derselben Universität und promovierte 2002 auf dem Gebiet d ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von: