Gezuckerte Medikamente aus der Moosfabrik

Ein Artikel von BIOSS-Blogger Timo Lorenz.

Doktorand Timo Lorenz, Arbeitsgruppe Ralf Reski

Doktorand Timo Lorenz aus der Arbeitsgruppe des Freiburger Biologen Prof. Dr. Ralf Reski. Foto: privat

Vor kurzem traf ich zufällig einen früheren Klassenkameraden auf meiner morgendlichen Runde mit meinem Hund im Park und führte folgendes Gespräch:
„Hei wie geht’s? Was machst du jetzt so?“
„Ich arbeite zurzeit als Doktorand im Bereich der Pflanzenbiotechnologie.“
„Ahh, und um was geht’s da?“
„Ich arbeite mit einem Moos, das Medikamente produzieren kann.“
„Moos? Wirklich? Und das kann Medikamente produzieren? Ist das sowas mit Gentechnik?“
„Genau, mittels gentechnischer Methoden wurden dem Moos Baupläne menschlicher Proteine eingeschleust. Anhand dieser Baupläne ist das Moos in der Lage, zum Beispiel menschliche Antikörper zu produzieren. Diese können dann aus dem Moos extrahiert werden, um sie dann später als Medikament zu benutzen.“
„Ahh – verstehe, und was machst du jetzt genau?“
„Ich arbeite daran, das Moos soweit zu verändern, dass die produzierten Proteine genau denen entsprechen, die im Menschen vorkommen und dadurch auch keine Immunreaktionen auslösen können. Wir sind da schon ziemlich weit in der Forschung. Interessant ist, dass es oft nicht die nach dem menschlichen Bauplan produzierten Proteine sind, die eine Immunreaktion auslösen können, sondern meist spezielle Zuckerreste, die an den Proteinen verankert sind. Diese sind bei Menschen und Pflanzen unterschiedlich und ihre Struktur ist nicht auf den menschlichen Bauplänen festgelegt, sondern sie werden nach der pflanzlichen Art und Weise erstellt. Diese pflanzlichen Zuckerstrukturen können im Menschen erkannt werden, und das Immunsystem sagt dann: „Achtung, da stimmt was nicht! Ich warne lieber den Körper vor dem Protein mit den fremdartigen Zuckerresten“. Und genau an diesem Problem arbeite ich. Ich versuche, die pflanzlichen Zuckerstrukturen soweit anzupassen, dass sie vom Immunsystem nicht mehr erkannt werden. Hast du das halbwegs verstanden?“

„Ja, ich glaub schon. Muss dann mal los. Tschüss.“

Nach diesem Gespräch war ich mir nicht ganz sicher, ob er alles verstanden hat und warum er auf einmal so kurz angebunden war. Ich glaube, so ein Gespräch hat aber jeder Wissenschaftler schon mal geführt und sich dann die Frage gestellt, wie erkläre ich kurz und verständlich, was ich da eigentlich mache. Das mit dem kurz ist ja dann immer so eine Sache, aber ich versuch es hier einfach mal.

Als Doktorand forsche ich innerhalb von BIOSS in der Pflanzenbiotechnologie geleitet von Professor Ralf Reski. Dort arbeite ich im sogenannten Bereich des „Molecular Farmings“, einer Untergruppe von Doktor Eva Decker. Wir arbeiten in dieser Abteilung insbesondere an und mit einem Moos, Physcomitrella patens, oder auf Deutsch: dem Kleinen Blasenmützenmoos. Das Moos ist innerhalb eines Labors leicht zu kultivieren und mit präzisen Eingriffen genetisch modifizierbar. Physcomitrella patens ist ein gut etablierter Modellorganismus, an dem weltweit geforscht wird. Die Arbeit mit Physcomitrella patens als Modellorganismus bietet entscheidende Vorteile gegenüber der Arbeit mit anderen Pflanzen. So ist es möglich, menschliche Baupläne gerichtet an bestimmte Stellen des Erbguts zu platzieren und sie dadurch zu einem festen Bestandteil des Erbguts zu machen. Als weiteren Vorteil besitzt Physcomitrella patens als Moospflanze nur eine einfache Kopie des Erbguts. In anderen Pflanzen sind es meist zwei oder mehr Kopien. Dadurch bietet Physcomitrella patens die Möglichkeit, durch einzelne gezielte Eingriffe am Erbgut Veränderungen vorzunehmen und deren direkte Auswirkung auf die Pflanze zu erforschen.

In unserer Abteilung forschen wir unter anderem in den Bereichen der Signalverarbeitung in Pflanzen, dem „Molecular Farming“, einer Arzneiproduktion mittels gentechnisch veränderter Moose und der Stoffwechselveränderung des Mooses durch Techniken der synthetischen Biologie. Im Bereich des Molecular Farming wird Physcomitrella patens als Biopharmazeutikafabrik genutzt, welche unter bestimmten Bedingungen in der Lage ist, fortwährend z. B. Antikörper oder andere menschliche Proteine zu produzieren. Diese im Moos produzierten rekombinanten Proteine sind dazu gedacht, später einmal als Medikament im Menschen Anwendung zu finden. Ein Großteil dieser rekombinanten Proteine sind sogenannte Glykoproteine, was bedeutet, dass die Aminosäurekette, aus der das Protein grundsätzlich aufgebaut ist, an bestimmten Stellen mit zusätzlichen Zuckerstrukturen, sogenannten Glykanen, versehen ist. Im Moos produzierte Glykoproteine zeigen eine erstaunlich einheitliche Zusammensetzung der verknüpften Glykane innerhalb einer kontinuierlichen Produktion, was einen entscheidenden Vorteil gegenüber einer Produktion mit schwankender Zusammensetzung in Säugetierzellen bietet. Produziert man das gleiche Glykoprotein sowohl in Pflanzenzellen als auch in Säugetierzellen, sind zwar die Aminosäuresequenzen identisch, aber es gibt in der jeweiligen Struktur und Zusammensetzung der angehängten Glykane leichte, aber entscheidende Unterschiede.

Für eine Anwendung im Menschen ist es daher sehr wichtig, diese bestehenden Unterschiede der pflanzlichen Glykosylierung anzugleichen, sozusagen die in Pflanzen produzierten Proteine mit ihren Glykanen zu „vermenschlichen“. Diese Vermenschlichung der pflanzlichen Glykane nennt man Glykooptimierung. Bei dieser Optimierung werden gezielt Enzyme der pflanzlichen Glykosylierung ausgeschaltet und Baupläne von menschlichen Enzymen in die Pflanze eingebracht, um dadurch die pflanzliche Glykosylierung derjenigen im Menschen anzugleichen. Außerdem ist es möglich, mit Hilfe der Glykooptimierung Zuckerstrukturen in eine bestimmte Form zu bringen, um dadurch die Wirkung des Medikaments für eine Anwendung im Menschen zu verbessern. Ein entscheidender Schritt in diese Richtung zeigt die jüngst weltweit erste Zulassung eines Moos-produzierten optimierten Glykoproteins zu einer klinischen Studie. Forschern der Firma Greenovation, welche unter anderem von meinen Professor mit begründet wurde, ist es gelungen, mit Hilfe der Glykooptimierung die Aufnahmeeigenschaften eines Moos-produzierten Medikaments für den menschlichen Körper effektiv zu verbessern.
Die meisten Enzyme der Glykosylierung sind Glykosyltransferasen, welche jeweils verschiedene Zuckerreste an das Protein oder gegebenenfalls an schon vorhandene Zuckerreste anheften. Die Glykosylierung findet auf zellulärer Ebene innerhalb des Endoplasmatischen Retikulums und dem Golgi-Apparat statt, wobei diese auch als Proteinverteilungs- und Veredelungszentrum gesehen werden können. Wichtig sind dabei Reihenfolge und Lokalisierung der Enzyme, vergleichbar ist es etwa mit der Arbeit an einem Montagefließband. Zuerst wird das Grundgerüst gebaut, dann wird an dieses Grundgerüst eine spezielle Zuckerstruktur angeheftet und bildet somit die Grundlage für die weiteren Zuckerreste, die nach und nach angeheftet oder auch wieder abgebaut werden können, um anderen Zuckerresten Platz zu machen. Die einzelnen Zucker, die angehängt werden, können immer nur an bestimmte vorherige Zuckerreste angehängt werden. Wird etwas falsch montiert, kann die Arbeit nicht weitergehen, und so steht am Ende das Protein mit einer falschen oder unfertigen Glykanstruktur da, was dann vergleichbar mit einem Auto ohne Räder ist. Und genauso wie ein Auto ohne Räder nicht fahren kann, kann ein Protein ohne richtige Zuckerstruktur nicht richtig funktionieren.

Produktion eines Biopharmazeutika in der Moosfabrik

Produktion eines Biopharmazeutika in der Moosfabrik. Innerhalb des Golgi-Apparats (links) wird das Glykoprotein/Biopharmazeutika mit humanisierten Zuckerstrukturen dekoriert. Die Kultivierung des genetisch modifizierten Mooses erfolgt in speziellen Bioreaktoren (mittig), dabei wird das im Moos produzierte Biopharmazeutika in das Medium ausgeleitet. Nach Aufreinigung des Biopharamzeutikas aus dem Medium erhält man ein moos-produziertes Medikament (rechts), welches für eine mögliche Anwendung bei Menschen optimiert wurde.Quelle: AG Reski, www.plant-biotech.net

Die Herausforderung, die sich mir in meiner Arbeit stellt, ist das Generieren von einem Moos, das sowohl zur Produktion als auch zur Anknüpfung eines bestimmten Zuckerrestes fähig ist, welcher normalerweise in Pflanzen nicht vorkommt, der Sialinsäure. Hierzu ist es notwendig, den kompletten Syntheseweg von Sialinsäure im Moos aufzubauen und ebenfalls die Baupläne für die Enzyme einzuschleusen, welche benötigt werden, um Sialinsäure innerhalb der Zelle zu transportieren und schlussendlich an die schon vorhandene Glykanstruktur anzuknüpfen. Diese angeknüpfte Sialinsäure ist sehr wichtig für die spätere Langlebigkeit des rekombinanten Proteins im menschlichen Blutkreislauf und dadurch entscheidend für die Wirkung des Medikaments im Menschen. Die Sialylierung ist normalerweise der letzte Schritt innerhalb der menschlichen Glykosylierung und der noch entscheidende Unterschied zwischen bisherigen glykooptimierten Pflanzenzellen und den zur Produktion von rekombinanten Proteinen momentan genutzten Säugetierzellen. Eine Etablierung einer Mooslinie mit funktionierender Sialylierung wäre ein weiterer wichtiger Schritt zur Produktion von Medikamenten in Moos.

Zum Schluss möchte ich noch erwähnen, dass es wichtig ist, sich auch mal mit seiner Arbeit reflektierend auseinander zusetzen. Es ist von Bedeutung sich vor Augen zu führen, was ist wirklich wichtig an meiner Arbeit und wie schaffe ich es, dies interessant und verständlich mitzuteilen. Das nächste Mal wenn mich jemand fragt was ich gerade mache, bin ich besser vorbereitet und ich hoffe mein Gegenüber findet das Thema dann auch so faszinierend wie ich.

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BIOSS-Blogger kann jede oder jeder sein, der mit dem BIOSS Centre for Biological Signalling Studies verbunden ist. Dazu gehören Studierende, Promovierende, Postdocs, Mitglieder und Principal Investigators.

2 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Hallo Timo,
    ich bin eine Arbeitskollegin deines Bruders, habe mich vorhin mit ihm unterhalten und er hat mir den Link geschickt, weil ich Dipl. Ing. Biotechnologie bin. Arbeite zwar schon lange nicht mehr auf dem Gebiet, aber ich habe die Erklärungen gut verstanden und mich gefreut, mal wieder über eine interessante molekularbiologische Aufgabenstellung zu lesen ;-). Spannend! Viel Erfolg mit dem Blasenmützenmoos!

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