Automatisierungskonzept für die Strukturerkennung von Proteinen
Biomoleküle wie am Fließband analysiert

Die dreidimensionale Struktur von Proteinen wird künftig automatisch, schnell und kostengünstig analysiert. Möglich wird das durch Roboter sowie verbesserte Analyse- und Spektroskopie-Verfahren.

BERLIN. Was bei der Genomsequenzierung schon funktioniert, soll bald auch bei Proteinen klappen: die vollautomatisierte Strukturanalyse. Bislang ist das bei Eiweißmolekülen im Gegensatz zu Genen nicht machbar. Bei den Proteinen interessiert man sich für die 3D-Struktur, die sehr viel komplexer ist, denn die Aminosäureketten verschränken sich wie ein Knäuel ineinander. Von der räumlichen Darstellung der Eiweißmoleküle versprechen sich Molekularmediziner Fortschritte bei der Diagnose und Therapie von Krankheiten. Die Medikamentenentwicklung könnte deutlich beschleunigt werden. Durch die räumliche Darstellung lassen sich am Computer geeignete Bindungsstellen für Wirkstoffe an ein Protein bestimmen, über die Medikamente gezielt platziert werden könnten.

Auf der Suche nach Bindungsstellen für Wirkstoffe

Weltweit arbeiten mehrere Wissenschaftlerkonsortien an der Aufgabe, die Strukturaufklärung zu automatisieren. Eines davon ist die Berliner Proteinstrukturfabrik. Die Forscher, die in diesem Projekt zusammenarbeiten, sind in den vergangenen Monaten bei der vollautomatisierten Bestimmung von 3D-Proteinstrukturen in großen Mengen ein gutes Stück vorangekommen. Durch Einsatz von Hochdurchsatztechniken, Robotern für die Kristallisation in Verbindung mit automatisierter Datensammlung und-auswertung sei die "Fließbandanalyse" zum Greifen nah: "In ein bis zwei Jahren werden sich statt eines mühsam hergestellten Kristalls vielleicht zehn auf einmal analysieren lassen", prophezeit Udo Heinemann, Sprecher des Forschungsverbunds. Die Untersuchung nur einer Proteinstruktur dauerte bislang Jahre. Einige Hunderttausend Proteine gibt es allein im menschlichen Körper.

Wichtigste Analysemethoden sind die Röntgenkristallographie und die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR). "Die NMR-Analyse und die Röntgenbeugungsexperimente funktionieren schon sehr gut. Schwieriger stellt sich die Präparation geeigneter Proteinproben und die selbsttätige Kristallisation dar", sagt Heinemann. Um Proteine mit Röntgenstrahlen zu durchleuchten, müssen sie kristallisiert werden. Dazu wird ihnen Wasser entzogen. Ein aufwendiger Prozess, für den hochpräzise Roboter entwickelt worden sind.

Das Robotersystem kann unter anderem knapp eine Million Proben halten, die Wachstumsbedingungen der Kristalle optimieren und verwertbare Kristalle herausselektieren. Diese werden gekühlt und zur Röntgenanalyse gebracht. Die erfolgt mit der Synchrotronstrahlungsquelle Bessy in Berlin-Adlershof. Deren aus einem Elektronenspeicherring stammende Strahlen sind sehr viel intensiver als herkömmliche Röntgenstrahlen. So werden einzelne Atome sichtbar, eine exakte Beschreibung der Struktur wird möglich.

Institute arbeiten Hand in Hand

Vorher muss allerdings eine ausreichende Proteinmenge hergestellt werden. Dazu werden Gene in das Erbgut von Hefezellen oder Bakterien geschleust, damit diese Proteine produzieren. Denn für die Analyse nur eines Eiweißes werden bis zu 20 Milligramm benötigt, was sehr viel ist. Auch dieser Prozess wurde automatisiert.

Nun planen die Berliner Forscher sogar, tiefgefrorene Proteinkristalle per Express ins Bessy-Labor zu schicken, um Forschern am nächsten Tag schon die fertige 3D-Proteinstruktur zuzumailen. Die Berliner Proteinstrukturfabrik wird über fünf Jahre hinweg mit rund 16 Millionen Euro vom BMBF gefördert. In dem 40-köpfigen Team arbeiten unter anderem Wissenschaftler vom Max-Delbrück für Molekulare Medizin-Centrum (MDC), dem Max- Planck-Institut für Molekulare Genetik und dem Ressourcenzentrum im Deutschen Humangenomprojekt (RZPD). Die Erkenntnisse des Forscherverbundes sollen in die Gründung eigener Unternehmen einfließen. Erste Ausgründungen sind die PSF biotech AG und die CombiNature biopharm AG, die im Großmaßstab auf die 3D-Strukturanalyse von Proteinen setzen.

Ein gutes Dutzend weiterer Unternehmen, darunter WITA Proteomics, Tecan Proteomics und die Protagen AG, haben sich auf die Eiweißanalyse spezialisiert. Schließlich gilt sie als Zukunftsmarkt. Laut einer Studie von Frost & Sullivan wächst der Proteomicsmarkt bis 2005 um jährlich 42 %.

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