Chemiker erzeugen durch Nachahmung der Natur Organellen-Cluster

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 02.11.2016

Forschern der Universität Basel ist es gelungen, sphärische Kompartimente in Cluster zu gliedern. Dabei diente die Bildung komplexer Strukturen durch Organelle als Vorbild. Als Bindeglied zwischen den synthetischen Kompartimenten dienten DNA-Brücken. Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Verwirklichung sogenannter molekularer Fabriken. Die Zeitschrift Nano Letters hat die Ergebnisse der Forscher veröffentlicht.

Innerhalb der Zelle existieren spezielle Kompartimente, die als Organelle bezeichnet werden, beispielsweise der Zellkern, die Mitochondrien, Peroxisomen und Vakuolen. Diese sind jeweils für bestimmte Zellfunktionen zuständig. Nahezu alle ausgeklügelten biologischen Zellfunktionen werden mittels Selbstorganisation realisiert. Dabei ordnen sich Moleküle ohne Anleitung von aussen auf eine bestimmte Art und Weise an, die auf ihren jeweiligen Konformationen und Eigenschaften basiert.

Die Nutzung der Selbstorganisation von Nano-Objekten zu komplexen Strukturen ist eine wesentliche Strategie, um neue Materialien mit verbesserten Eigenschaften oder Funktionen in Bereichen wie Chemie, Elektronik und Technik herzustellen. So wurde diese Strategie beispielsweise bereits eingesetzt, um Geflechte aus anorganischen Feststoff-Nanopartikeln zu erzeugen. Bisher konnten diese Geflechte jedoch nicht ausgereifte Strukturen imitieren, die innerhalb der Zellen biologische Funktionen haben und somit für einen Einsatz in Medizin oder Biologie in Betracht kommen.

DNA-Brücken verleihen Stabilität

Die gemeinsame Arbeit der Forschergruppen unter der Leitung von Professorin Cornelia Palivan und Professor Wolfgang Meier bietet nun einen neuen Ansatz für die Selbstorganisation von künstlichen Organellen zu Clustern, der die Verbindung zwischen ihren natürlichen Gegenstücken imitiert. Durch die Nutzung einzelner DNA-Stränge zur Verbindung der sphärischen Kompartimente gelang es den Forschern, Cluster gemäss einer spezifischen Architektur und mit kontrollierten Eigenschaften zu erzeugen. «Wir haben gespannt beobachtet, dass die einzelnen DNA-Stränge an der Oberfläche der sphärischen Kompartimente sich zusammengeschlossen und eine Brücke mit den DNA-Strängen des nächsten Kompartiments gebildet haben», so Palivan. Bei dieser DNA-Brücke handelt es sich um eine äusserst stabile Verbindung.

Diese von der Natur inspirierte Strategie geht über die eigentlichen Ansätze der Selbstorganisation hinaus, da sie zudem die Integration von verschiedenen Anforderungen ermöglicht, beispielsweise die Feinabstimmung des Abstands zwischen den einzelnen Kompartimenten oder verschiedene räumliche Strukturen «on demand». Als Kompartimente nutzten die Forscher Polymersomen mit einer synthetischen Membran, die im Gegensatz zu Liposomen den grossen Vorteil bietet, dass sie äusserst stabil ist und die Verschmelzung einzelner Kompartimente innerhalb der Zelle kontrolliert.

Ein weiterer einzigartiger Vorteil dieser Strategie zur Bildung von Nanoclustern ist die Tatsache, dass die Kompartimente mit Reaktionspartnern wie Enzymen, Proteinen oder Katalysatoren bestückt werden können. Dies liefert die Grundlage für die künftige Entwicklung künstlicher Organelle, die als molekulare Fabriken dienen. Diese Forschungsarbeit wurde im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) Molecular Systems Engineering durchgeführt.

Originalartikel:
Juan Liu, Viktoriia Postupalenko, Samuel Lörcher, Dalin Wu, Mohamed Chami, Wolfgang Meier, Cornelia G. Palivan
DNA-mediated self-organization of polymeric nanocompartments leads to interconnected artificial organelles
Nano Letters (2016), doi: 10.1021/nanolett.6b03430

Externer Link: www.unibas.ch

technologiewerte.de – MOOCblick November 2016

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Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Using Python for Research
Jukka-Pekka „JP“ Onnela (Harvard University)
Start: 29.11.2016 / Arbeitsaufwand: 16-32 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Stabile biologische Beschichtung für Implantate

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.11.2016

Die extrazelluläre Matrix (ECM) regelt alle wichtigen Funktionen von Zellen und ist für Wissenschaftler ein interessantes Biomaterial. Fraunhofer-Forscher haben eine ECM entwickelt, die künstliche reaktive Gruppen enthält und auch außerhalb des Körpers das natürliche Verhalten der Zellen fördert. Sie kann deshalb als stabile Beschichtung auf Implantate aufgebracht oder für Zellkulturgefäße und Wundauflagen verwendet werden.

Biologen, Chemiker und Mediziner müssen wissen, wie biologische Reaktionen im Innern des menschlichen Körpers ablaufen. Zum Beispiel um Implantate einzusetzen, neue Wirkstoffe zu entwickeln oder krankes Gewebe zu ersetzen. Eine wichtige Rolle spielt bei den Untersuchungen die extrazelluläre Matrix (ECM). Sie stellt im menschlichen Gewebe die natürliche Umgebung der Zellen dar und erfüllt wichtige Funktionen. Durch ihre gewebetypische Zusammensetzung ist sie das ideale Material für Anwendungen in der Medizintechnik. »Es ist jedoch sehr kompliziert, die Matrix so zu modifizieren, dass sie für unterschiedliche Aufgabenstellungen angepasst werden kann, sich aber trotzdem wie in natürlicher Umgebung verhält«, sagt Dr. Monika Bach aus der Abteilung Grenzflächentechnologie und Materialwissenschaft des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB.

Biologische Beschichtung für die Medizintechnik

Chemiker und Biologen des Stuttgarter Forschungsinstituts haben gemeinsam eine funktionale ECM entwickelt, die auch außerhalb des Körpers das natürliche Verhalten der Zellen fördert und flexibel an biologische oder materialtechnische Aufgabenstellungen angepasst werden kann. »Im Labor haben wir gezeigt: Das Biomaterial erfüllt trotz der eingebrachten künstlichen reaktiven Gruppen seine Funktionen und unterstützt das natürliche Verhalten der Zellen, die mit ihr in Kontakt stehen«, schildert Prof. Dr. Petra Kluger, Leiterin der Abteilung Zell- und Tissue Engineering, den Forschungsstand.

Derzeit suchen die IGB-Forscherinnen und -Forscher Kooperationspartner, um mit Hilfe der patentierten Technologie konkrete Produkte zu entwickeln: Zum Beispiel um Implantate zu beschichten, damit sie schneller vom Körper angenommen werden. »Grundsätzlich wäre diese Technologie aber auch interessant, um neue Materialien zu entwickeln, die zur Wund- oder Knochenheilung eingesetzt werden könnten«, sagt Bach. Denkbar wäre zudem eine Beschichtung für Zellkulturgefäße im Labor. Sie liefert den jeweiligen Zellen eine ideale Umgebung, sodass diese während der Kultivierung ihr natürliches Wachstumsverhalten zeigen. »Denn Zellen reagieren sehr empfindlich auch auf kleine Veränderungen in ihrer Umgebung«, erklärt Bach.

Chemische Reaktion, die klickt

Um die ECM mit künstlichen chemischen Gruppen auszustatten, nutzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den natürlichen Stoffwechsel der Zellen und lassen sie die chemische Gruppe selbst einbauen. Dazu werden Zellen, die zuvor aus menschlichen Gewebeproben gewonnen wurden, in einer Zellkulturschale mit Zuckermolekülen gefüttert, die im Vergleich zu herkömmlichen Zuckern an einer Stelle eine reaktive Gruppe tragen. Die Zellen nehmen diesen modifizierten Zucker auf und nutzen ihn als Baustein, um andere Moleküle innerhalb der Zelle und in der ECM aufzubauen. »Diese chemische Gruppe kann anschließend in einer selektiven chemischen Reaktion – Click-Reaktion – mit einem passenden Bindungspartner weiter reagieren. Das muss man sich wie bei einem Druckknopf vorstellen: Eine Hälfte, andere Hälfte – Klick!«, schildert Bach den Vorgang. Auf diese Weise kann eine Implantatoberfläche, die die andere Hälfte des Druckknopfs trägt, stabil mit der clickECM beschichtet – und das Einwachsen des Implantats in das umliegende Gewebe deutlich verbessert werden. Der Vorteil des Zusammenklickens: Die selektive chemische Reaktion hat eine hohe Ausbeute, läuft ohne Nebenreaktionen und unter physiologischen Bedingungen ab, ohne in natürliche Prozesse der Zelle einzugreifen.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Baukasten für Designer-Proteine

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 20.10.2016

Wissenschaftler des KIT entwickeln in einer internationalen Kooperation eine Methode, um hochentwickelte Proteine im Großmaßstab für Pharmazie und Biotechnologie herzustellen

Proteine sind einer der wichtigsten Bestandteile eines jeden lebenden Organismus und für mannigfaltige Aufgaben in Bio-systemen zuständig: Wie Hebel und Zahnräder bei Maschinen steuern, veranlassen und unterstützen sie biologische Aktivitäten und Funktionen innerhalb der Zelle. In der Medizin werden Proteine als Antikörper in der Impfstoffentwicklung benötigt. Eine der größten Herausforderungen der heutigen Zeit ist es, neuartige Impfstoffe gegen Krebserkrankungen zu entwickeln. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben zusammen mit internationalen Forschungspartnern eine Methode etabliert, um genetisch gezielt veränderte Proteine in größerem Maßstab herzustellen. Die schnelle Herstellung der Designer-Eiweißbausteine könnte neue Anwendungen in der Biotechnik und Pharmazie ermöglichen. Ihren Ansatz stellen die Forscher in „Nature Methods“ vor. (DOI: 10.1038/nmeth.4032)

„Proteine sind für alle lebenden Organismen wichtige Bausteine“, sagt Stefan Bräse, Professor am Institut für Organische Chemie und Direktor am Institut für Toxikologie und Genetik des KIT. „Zellen, Muskeln, Organe enthalten Proteine. Komplexe Proteinsysteme (de-)codieren die genetische Information der DNA, um wiederum weitere Proteine mit unterschiedlichsten Aufgaben zu erzeugen.“ Für die Anwendung in der Forschung und Medizin kommen häufig bio-technologisch hergestellte Eiweiße zum Einsatz, deren Eigenschaften im Vergleich zur Ursprungsform verändert und auf das neue System angepasst sind: Diese rekombinanten Proteine werden mithilfe von gentechnisch gezielt veränderten DNA-Viren modifiziert. Die neue Struktur trägt die angestrebte Zielfunktion. Lange fand als Expressionsmedium, sprich als Maschinerie, um neuartige Proteine herzustellen, das Darmbakterium Escherichia coli (E.coli) Anwendung. „E.coli ist ein sehr einfacher Organismus“, erklärt Bräse. Andererseits habe E.coli auch einige Nachteile bezüglich der Biosynthese von Designer-Proteinen.

Deshalb haben sich in den letzten Jahren Insektenzellen, sogenannte Sf21-Zellen, als geeignetes Expressionssystem bewährt, zusammen mit dem „MultiBac-System“. Dieses System nutzt einen Transfer-Vektor, also eine Art „Genfähre“, welche die benötigten Informationen zum Aufbau des rekombinant modifizierten Proteins enthält. „Durch eine Kombination des MultiBac-Systems mit seitenspezifischen Gen-Engineering-Methoden, dem ‚MultiBacTAG‘, können wir nahezu beliebige Proteine mit integrierten Zielfunktionalitäten in großen Mengen und mit hoher Qualität herstellen“, sagt Dr. Edward Lemke, Gruppenleiter für Hochauflösende Untersuchungen am Europäischen Molekularbiologischen Labor (EMBL) in Heidelberg. „Das System benötigt dafür nur einige Wochen. Wir haben es direkt für unsere Glykanstrukturen genutzt“, ergänzt Bräse.

Mit dieser innovativen Methode gelang es den internationalen Forschungspartnern ortsspezifisch unnatürliche Aminosäuren in das Zielprotein einzuführen. Ein neu designtes, orthogonales Enzym, das tRNA/ tRNA-Synthetase-Paar, erkennt die unnatürlichen Aminosäuren und kann sie bequem in die gewünschte Zielstruktur einbauen.

Durch die Kombination des MultiBac-Systems mit dem orthogonalem tRNA/ tRNA-Synthetase-Paar ist es Lemke und Bräse mit ihren Gruppen gelungen, Proteinkomplexe mit Zellkerne in Insektenzellen herzustellen, die unnatürliche Aminosäuren tragen und somit eine Vielzahl von Anwendungen erlauben. Die Technologie zur Erweiterung des genetischen Codes ist für die heutige Medizin und Biotechnologie unverzichtbar. „MultiBacTAG ist nutzerfreundlich und leicht nachvollziehbar. Da die Komponenten der Gencode-Veränderung in die Struktur von MultiBacTAG eingesetzt sind, können Nutzer unsere Erweiterung ohne vorherige Erfahrung oder Kenntnisse verwenden“, sagt Bräse.

In Tests konnten die chemischen Biologen an Insekten- und Säugerzellen die Anwendung für eine Vielfalt von Proteinen und Proteinkomplexen aufzeigen. So konnten sie beispielsweise Herceptin herstellen, ein Protein, das als Antikörper bei Brustkrebserkrankungen verwendet wird. „Wir gehen davon aus, dass MultiBacTAG eine breite Palette von Möglichkeiten für das individuelle Proteindesign in biotechnologischen und pharmazeutischen Anwendungen ermöglicht“, fasst Bräse zusammen. „Es könnte vor allem in der Erforschung von Proteinkomplexen und deren funktionellen Wechselwirkungen sehr nützlich sein.“ (wer)

Publikation:
Nature Methods, 2016.

Externer Link: www.kit.edu