Strukturaufklärung mit Neutronen

Präzisionswaffe statt Schrotflinte gegen Helicobacter 

Garching - 08.02.2017, 10:30 Uhr

Am Forschungsreaktor München II (links, rechts daneben der stillgelegte Vorgänger, das Atom-Ei ) werden Molekül-Strukturen für Forschungsgruppen aus aller Welt aufgeklärt. (foto: picture alliance/Sueddeutsche Zeitung Photo)

Am Forschungsreaktor München II (links, rechts daneben der stillgelegte Vorgänger, das Atom-Ei ) werden Molekül-Strukturen für Forschungsgruppen aus aller Welt aufgeklärt. (foto: picture alliance/Sueddeutsche Zeitung Photo)


Infektionen mit Helicobacter pylori werden derzeit mit Antibiotika behandelt, also unspezifisch antimikrobiell. Wissenschaftler aus den USA wollen das ändern. Sie haben mithilfe von Neutronen am Forschungsreaktor der TU München die Struktur des aktiven Zentrums eines Enzyms des Magenbakteriums aufklären lassen, mit dem Ziel, selektiv wirksame Arzneimittel gegen den Keim zu entwickeln.

Strukturbasiertes Wirkstoffdesign ist im digitalen Zeitalter eine Möglichkeit, neue Arzneimittel zu entwickeln. Wenn ein potenzieller Wirkort bekannt ist und die molekulare Struktur dieses Wirkortes genau ermittelt ist, kann zunächst am Computer ein Molekül entworfen werden, das genau zum Beispiel in das aktive Zentrum eines Enzyms passt, dort fest bindet und das Enzym so hemmt. Anschließend muss „nur“ noch der Syntheseweg gefunden sowie eine Arzneiform entwickelt werden, und das neue Arzneimittel kann dann das übliche Prozedere der klinischen Prüfung bis zur Zulassung durchlaufen. Allerdings steht ganz am Anfang, die Struktur des Wirkortes sehr genau zu untersuchen. 

Ein internationales Forschungsteam um den Professor für Biochemie Donald Ronning von der Abteilung für Chemie und Biochemie der Universität Toledo in den USA hat für diesen Ansatz nun Hilfe deutscher Wissenschaftler an der Forschungsneutronenquelle „Hans Maier-Leibnitz“ in Garching bei München in Anspruch genommen. Helicobacter pylori, ein gramnegatives, mikroaerophiles Stäbchenbakterium hatten sich die Wissenschaftler dabei vorgenommen. Weltweit soll jeder zweite den Keim in seinem Verdauungstrakt beherbergen. Er spielt erwiesenermaßen bei der Entstehung von Gastritis, Ulcera und Magenkrebs eine Rolle. Zunehmende Resistenzen und eine Wirksamkeit von nur 70 Prozent bei der Kombination aus Antibiotika-Therapie und Protonenpumpenhemmern beflügelt die Suche nach neuen Therapieansätzen. 

Bakterien-spezifisches essenzielles Enzym als Wirkort

Als mögliches Target für neue Wirkstoffe identifizierten die Forscher das Enzym 5‘-Methylthioadenosin-Nucleosidase (MTAN), das spezifisch für Helicobacter ist und in der Synthese des Vitamins K2 in dem Bakterium eine Rolle spielt. „Für die mögliche Entwicklung neuer Wirkstoffe war es der erste wichtige Schritt, die Struktur des aktiven Zentrums des Enzyms zu bestimmen“, sagt der promovierte Biologe Andreas Ostermann, der an der Forschungsneutronenquelle in Garching arbeitet.

Standard-Methode der Wahl für Strukturanalysen sei die Röntgenstrukturanalyse, erklärt Ostermann. „Die kann heutzutage schon komplett automatisch an Synchrotron-Beamlines durgeführt werden“, sagt der Forscher. „Um den Reaktionsmechanismus des Enzyms dann genau zu verstehen, sind mehrere verschiedene Strukturuntersuchungen der unterschiedlichen Zustände nötig. Also Grundzustand ohne Substrat, wenn möglich ein Übergangszustand, bei dem man Substrat-Analoga einsetzt, und das aktive Zentrum mit den Produkten der Reaktion“, sagt Ostermann. Untersucht wird das jeweils an aus größerer Menge des Enzyms angereicherten Proteinkristallen.

Röntgenstrahlen reichten nicht

Im Fall MTAN war bekannt, dass eine Vorstufe des Vitamin K2 über Wasserstoffbrückenbindungen an das aktive Zentrum gebunden wird. Anschließend wird eine Seitengruppe abgespalten. Die Forscher waren dabei besonders daran interessiert, an welchen Positionen sich die Wasserstoffatome des Enzyms befinden und wie sie im Verlauf der Reaktion ihre Position verändern. „Positionen von Wasserstoffatomen lassen sich aber mit Röntgenstrukturanalyse nur in seltenen Fällen bestimmen“, erklärt der Forscher der zur Technischen Uni München gehörenden Neutronenquelle. „Röntgenstrahlen werden an der Elektronenhülle der Atome gestreut. Da Wasserstoff aber nur ein Elektron besitzt, beträgt die Streukraft hier nur einen Bruchteil der größeren Kohlenstoff-, Stickstoff- oder Sauerstoff-Atome. Nur bei höchster Auflösung, die man mit dafür kristallisierten Proteinen nur selten erreicht, kann man die Wasserstoff-Atome abbilden“, sagt der Experte.

An dieser Stelle kommt die Neutronenquelle ins Spiel. „Die Wechselwirkung der Neutronen findet mit dem Atomkern statt. Dabei zeigt Wasserstoff beziehungsweise das Wasserstoffisotop Deuterium die gleiche Streustärke wie Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff“, sagt Ostermann. Daher ließe sich mit Neutronenstreuung bereits bei weit geringerer Auflösung die Position von Wasserstoffatomen darstellen.

In Garching stammen die Neutronen aus der Kernspaltung, die in Deutschlands größtem Kernreaktor, dem FRM-II, mit hochangereichertem Uran betrieben wird. Über Strahlrohre werden die im Reaktor entstehenden schnellen Neutronen in die benachbarten Experimentierhallen geleitet. An verschiedenen Forschungsinstrumenten, die von der TU München gemeinsam mit dem Forschungszentrum (FZ) Jülich betrieben werden, wird die Neutronenstrahlung dann für die unterschiedlichsten Forschungsansätze in der Physik, Chemie und im biologisch-medizinischen Bereich eingesetzt.

Neutronenquelle als Dienstleister für Forscher aus aller Welt

„Neutronen sind perfekte ‚Sonden‘ für die Untersuchung der Materie. Aber leider lassen sich derzeit keine so starken Neutronenstrahlen erzeugen, wie das mit Röntgenstrahlen der Fall ist. Während bei den Röntgenmessungen an Synchrotronen die Messung im Bereich von Minuten liegen, sind dies bei der Neutronenstrahlung leider mehrere Tage“, erklärt Ostermann. Die Forscher der TU München und die dort arbeitenden Forscher des FZ Jülich sind dabei sozusagen Dienstleister für Forscher aus aller Welt. „Viele unserer Gastwissenschaftler kommen mit Fragestellungen wie die der Gruppe von Professor Ronning“, sagt Ostermann. Solche Strukturaufklärungen, die zum Wirkstoffdesign genutzt werden könnten, seien für alle Prozesse denkbar, in denen Wasserstoffatome bei der enzymatischen Katalyse eine essenzielle Rolle spielten, sagt er.

Die „Kunden“ der Forschungsneutronenquelle stammten im Bereich der Biowissenschaften bislang hauptsächlich aus der Forschung. „Kunden aus der Industrie sind in der Regel nicht daran interessiert, ihre Ergebnisse zu veröffentlichen, was eine Grundvoraussetzung ist, um bei uns kostenlos messen zu können“, sagt der Forscher. Grundsätzlich sei das möglich. „Allerdings muss man dann etwa 6000 Euro pro Tag für die Messung aufbringen.“ Im Bereich der Aufklärung von Protein-Strukturen habe es noch keinen Kunden aus der pharmazeutischen Industrie gegeben. Bei den Materialwissenschaften sei das anders, dort würden häufiger Kunden aus der Industrie Messungen in Auftrag geben.

Die amerikanische Forschungsgruppe, deren Arbeit von verschiedenen US-Forschungsinstituten gefördert wird, hat ihre Ergebnisse zur Strukturaufklärung des MTAN jetzt im Fachmagazin Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht. 



Volker Budinger, Autor DAZ.online
redaktion@daz.online


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