Category: Nobelpreis-Spezial

Nobelpreis-Spezial: Chemie 2024

10. October 2024 / PharmBlog / 0 Comments

Den Nobelpreis für Chemie 2024 erhalten David Baker, Demis Hassabis und John Jumper für ihre Entwicklungen im Bereich Protein-Design und Proteinstrukturvorhersage. Deshalb werden wir hier näher betrachten, wieso die Struktur von Proteinen so wichtig ist und was es bedeutet, sie nach eigenem Willen gestalten oder vorhersagen zu können.

Die dreidimensionale Struktur von Proteinen

Über die große Bedeutung der dreidimensionalen Struktur von Proteinen habe ich hier auf diesem Blog schon mehrfach geschrieben. Und das nicht ohne Grund, denn die Struktur eines Proteins bestimmt dessen Funktion.

Auf der rudimentärsten Ebene sind Proteine nur aneinandergereihte Aminosäuren. Als lineare Kette ohne jegliche Struktur könnten sie aber keine ihrer vielfältigen Aufgaben erfüllen: Katalyse von biochemischen Reaktionen, Signalübertragung, Transport… Erst die richtige Faltung der Proteine bringt die richtigen Aminosäuren mit der passenden Reaktivität zu ihrem jeweiligen Platz. Nur mit der richtigen dreidimensionalen Struktur funktioniert ein Protein. Und diese zu kennen kann entscheidend sein, um die Biologie zu verstehen, die Entstehung von Krankheiten nachvollziehen zu können oder neue Arzneimittel zu entwickeln.

Komplett neue Proteine

George Baker hat mit seinen Kolleg:innen und Teammitgliedern eine Methode entwickelt, um neue Proteine von Grund auf designen zu können. Sie hatten also eine bestimmte Struktur als Ziel und berechneten am Computer die Aminosäuresequenz, die das entsprechende Protein haben müsste.

Ihr Ziel-Protein war ein Protein, das aus zwei verschiedenen Arten von Strukturelementen bestand. Diese alpha-Helices und beta-Faltblätter genannten Elemente sind relativ stabil in ihrer Faltung und nehmen eine gut definierte Konformation (so wird die räumliche Anordnung von Proteinen und anderen Molekülen genannt) ein. Für das Design eines neuen Proteins also ideale Bedingungen. Und tatsächlich gelang es ihnen! Das neue Protein hatte genau die Struktur, die sie beabsichtigt hatten.

Und bei dem einen de novo-designten Protein blieb es natürlich nicht. Baker und sein Team haben zeigen können, dass sie verschiedenste Strukturen von Grund auf neu designen können. Außerdem war es sogar möglich, neue Enzyme auf diese Weise zu entwickeln, also Proteine mit katalytischer Aktivität, die chemische Reaktionen ermöglichen. Diese Enzyme reichen allerdings noch lange nicht an die natürlichen, evolutionär entstandenen Enzyme heran.

Das Programm, dass all das ermöglichte, nennt sich Rosetta. Neben dem bekannteren AlphaFold – das wir uns gleich noch genauer anschauen werden – ist Rosetta eines der wichtigsten bioinformatischen Werkzeugen der Protein-Biochemie. Neben dem Design neuer Proteine kann es noch für andere Aufgaben eingesetzt werden, unter anderem auch die Vorhersage der Struktur von Proteinen.

Akkurate Strukturvorhersage

Und die Strukturvorhersage ist auch schon das Stichwort, um zu der anderen Hälfte dieses Chemie-Nobelpreises zu kommen. Damit wurden Demis Hassabis und John Jumper ausgezeichnet. Sie waren maßgeblich an der Entwicklung von AlphaFold beteiligt, einem KI-Werkzeug zur Vorhersage von Proteinstrukturen basierend allein auf ihrer Aminosäuresequenz. Während Hassabis schon die Entwicklung von AlphaFold 1 geleitet hat, kam Jumper erst für AlphaFold 2 hinzu. Allerdings wurde AlphaFold für die zweite Version noch einmal grundlegend verändert, was auch zu einer beeindruckenden Verbesserung seiner Vorhersagen geführt hat.

Die Struktur eines Proteins vorherzusagen ist aufgrund der extrem großen Anzahl möglicher Konformationen keine einfache Aufgabe. Es gab auch Ansätze, den kompletten Faltungsprozess eines Proteins zu simulieren, was aber aufgrund der benötigten Rechenleistung nur sehr begrenzt möglich ist.

AlphaFold hingegen basiert auf einem neuronalen Netz, das mit einer Unmenge von Sequenz- und Strukturdaten trainiert wurde. Es kann die Struktur eines Proteins a priori vorhersagen, nur aus der Abfolge der Aminosäuren in diesem Protein. Das tut es mit einer wirklich beeindruckenden Genauigkeit und ermöglicht uns daher, die Struktur von viel mehr Proteinen zu erkunden, als es mit experimentellen Methoden möglich wäre.

Natürlich ist auch AlphaFold nicht perfekt – über seine Limitationen habe ich in einem früheren Text schon geschrieben. Auch macht es die experimentelle Strukturbiologie auf keinen Fall überflüssig. Aber es ist ein sehr nützliches Werkzeug, und die Fähigkeit, schnell eine große Zahl von Proteinstrukturen vorhersagen zu können, ist zugegebenermaßen revolutionär.

Chemie-Nobelpreis für zwei wichtige Werkzeuge

Ich möchte diesen Text mit einer etwas persönlicheren Note beenden. Als Protein-Biochemiker ist es natürlich ein schönes Gefühl, wenn ein Nobelpreis in das Gebiet der Protein-Biochemie geht. Aber als jemand, der mit experimentellen Methoden an strukturellen Fragestellungen arbeitet, ist da auch ein etwas seltsames Gefühl dabei. Denn der große Erfolg von AlphaFold ist nur dank der extrem guten Trainigsdaten möglich, die in Jahrzehnten strukturbiologischer Arbeit experimentell gewonnen wurden (und nicht zu vergessen der Aufwand, diese Daten zu kuratieren). Diese Trainigsdaten haben AlphaFold erst ermöglicht, und ich persönlich würde das gerne mehr in der Berichterstattung erwähnt sehen.

Nichtsdestotrotz ist dieser Preis mehr als angemessen. Im Prinzip wurden mit Rosetta und AlphaFold zwei der wichtigsten bioinformatischen Werkzeuge für die Protein-Biochemie ausgezeichnet, und sie haben nicht nur in diesem Fachgebiet viele neue Erkenntnisse ermöglicht – und werden es auch in Zukunft höchstwahrscheinlich weiter tun.

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Lest doch gerne noch meinen Beitrag zum Medizin-Nobelpreis 2024 oder schaut in die Advanced Information des Chemie-Nobelpreises, falls ihr euch tiefergehend darüber informieren wollt.

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Nobelpreis-Spezial: Physiologie oder Medizin 2024

7. October 2024 / PharmBlog / 0 Comments

Es ist wieder soweit, es ist Nobelpreis-Zeit. Den Anfang macht der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin, mit dem 2024 Viktor Ambros und Gary Ruvkun ausgezeichnet werden. Sie erhalten den Preis für „die Entdeckung der microRNA und ihrer Rolle in der post-transkriptionalen Genregulation“.

In diesem Text werden wir gemeinsam herausfinden, was microRNA ist, welche Rolle sie bei der Genregulation spielt und was sie so besonders macht, dass ihre Entdeckung einen Nobelpreis wert ist.

Was ist miRNA?

Tatsächlich hab ich auf diesem Blog schon einmal über microRNA geschrieben, nämlich im Kontext von nicht-codierender RNA im Allgemeinen. Das ist RNA, die nicht wie die mRNA als Überträger für den Bauplan von Proteinen fungiert. Wenn euch das interessiert, dann lest gerne den verlinkten Blogpost. Hier wiederum wird es jetzt ausführlich um die microRNA und die Entdeckungen der beiden Preisträger und ihrer Teams gehen.

Die microRNA – auch als miRNA abgekürzt – ist wie die DNA beispielsweise auch eine Nukleinsäure. Sie besteht daher aus einer langen Kette von sogenannten Nukleotiden, die über ein Zucker-Phosphat-Rückgrat verbunden sind. Jedes Nukleotid verfügt über eine von vier Basen – A, G, C und U – und die Abfolge dieser Basen ist es, was die jeweilige miRNA ausmacht und ihre Funktion ermöglicht.

Apropos Funktion, was genau kann die miRNA eigentlich? Mithilfe von miRNA können Zellen steuern, welche Proteine sie herstellen. Das erreichen sie, indem die miRNA an ein Transkript bindet, ein mRNA-Strang, der die genetische Information aus dem Zellkern ins Zytoplasma transportiert, wo anhand dieses Bauplans ein Protein hergestellt wird. Die Basenabfolge der miRNA ist teilweise komplementär zu der des Transkripts, wodurch die miRNA das richtige Transkript erkennt. Die Bindung der miRNA führt dann dazu, dass das entsprechende Protein nicht hergestellt wird.

Die allererste miRNA

Als Viktor Ambros und Gary Ruvkun mit ihrer Arbeit zu diesem Thema begannen, war davon allerdings noch nichts bekannt. Was sie hatten waren Fadenwürmer – C. elegans, ein häufiger Modellorganismus in den Biowissenschaften – mit bestimmten Mutationen. Diese beiden Mutanten mit den Namen lin-4 und lin-14 wiesen entgegengesetzte Entwicklungsdefizite auf. Bei lin-14 handelte es sich um ein Protein, und bestimmte Mutationen führten zu einer erhöhten Aktivität und einer verlängerten Präsenz des lin-14-Proteins in der Zelle. Die Mutationen befanden sich jedoch nicht in dem Abschnitt des Gens, der für das eigentliche Proteine codiert. Stattdessen waren sie in der 3‘-untranslatierten Region zu finden, einem Abschnitt, der für die Stabilität des mRNA-Transkripts wichtig ist, bei der Herstellung des Proteins aber nicht abgelesen wird.

lin-4 hingegen war allerdings kein Protein, sondern einer kurzer RNA-Abschnitt, der nicht für ein Protein codiert. Seine Basenabfolge aber war teilweise komplementär zur Sequenz der 3‘-untranslatierten Region von lin-14. Mit lin-4 hatten Ambros, Ruvkun und ihre Kolleg:innen damit die erste miRNA entdeckt, welche die Expression des Proteins lin-14 kontrollierte. Diese Art der Regulation der Expression durch miRNA, nachdem das Gen schon zum mRNA-Transkript transkribiert wurde, war bis dahin komplett unbekannt.

Weit verbreitet und konserviert

Dieses Paar aus miRNA und Protein, lin-4 und lin-14, ist zwar nur bei bestimmten Fadenwürmern vorhanden. Aber lin-4 blieb nicht die einzige bekannte miRNA. Gary Ruvkuns Team entdeckte mit let-7 eine miRNA, die in sehr vielen Tieren vorhanden ist und konnte damit beweisen, dass es sich bei miRNA um eine weit verbreitete und evolutionär konservierte Art der Genregulation handelt.

Inzwischen sind noch deutlich mehr Arten von kleinen, nicht-codierenden RNAs bekannt, die auf ähnliche Weise die Expression von Proteinen verhindern. Die small interfering RNA (siRNA) ist hier wohl das bekannteste Beispiel, die sowohl in der Forschung regelmäßig eingesetzt wird, um die Genexpression auszuschalten, als auch als Arzneistoff zur Gentherapie.

“Aktive miRNA” schneidet mRNA

Seit ihrer Entdeckung wurde auch die Biosynthese und der Mechanismus der miRNA genauer untersucht.

miRNAs sind genetisch, also auf der DNA, codiert. Sie können entweder unabhängig von anderen Genen transkribiert werden – haben also eigene Promotoren, DNA-Abschnitte, die Transkription ermöglicht – oder sie liegen als Introns innerhalb eines Protein-codierenden Gens und werden mit diesem zusammen transkribiert (Transkription bezeichnet das „Umschreiben“ von DNA in RNA).

Nach der Transkription liegt dann die miRNA in ihrer frühesten Form vor, als pri-miRNA. Die pri-miRNA wird dann durch unterschiedliche Enzyme prozessiert und aus dem Zellkern ins Zytoplasma transportiert, wo sie als reife, doppelsträngige miRNA endet. Einer dieser beiden komplementären miRNA-Stränge kann dann gemeinsam mit diversen Proteinen einen Komplex bilden, der miRISC genannt wird.

Die miRISC-Komplexe sind dann die „aktive Form“ der miRNA. Sie können an ein mRNA-Transkript binden, das eine Basensequenz komplementär zu dem miRNA-Strang aufweist (wobei miRNA typischerweise nicht vollständig komplementär ist). Die Bindung des miRISC-Komplexes an das Transkript geschieht oft in der oben schon erwähnten 3‘-untranslatierten Region, die keine Information über den Aufbau eines Proteins trägt.

Wenn der miRISC-Komplex an das Ziel-Transkript gebunden hat, beginnt dessen Abbau. Die 3‘-Polyadenylierung und die 5‘-cap werden abgespalten – beides sind Elemente des Transkripts, die ihm Stabilität verleihen. Ohne diese Elemente wird das mRNA-Transkript von der zelleigenen Maschinerie dann schnell abgebaut, ohne dass der darauf codierte Bauplan für ein Protein abgelesen werden kann.

Abgesehen von diesem kanonischen Mechanismus kann miRNA die Expression von Genen allerdings noch auf andere Arten beeinflussen.

Ein essentieller Regulationsmechanismus

Dank den Preisträgern, ihren Teams und Kooperationspartner:innen haben wir also diesen essentiellen Regulationsmechanismus entdeckt, mit dem unsere Zellen die Expression von Proteinen steuern. Inzwischen sind über 1900 miRNAs allein im Menschen bekannt, die sowohl für die Embryonalentwicklung als auch für die normale Funktion von Zellen, Geweben und Organen entscheidend sein können.

Und wenn ihr euch noch ausführlicher mit dem Thema miRNA beschäftigen wollt, kann ich euch wie immer die Advanced Information auf der Website des Nobelpreises empfehlen.

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Nobelpreis Spezial: Chemie 2023

4. October 2023 / PharmBlog / 0 Comments

Die Preisträger des Nobelpreises für Chemie 2023 wurden bekannt gegeben – durch einen Leak tatsächlich einige Stunden zu früh – und der Preis geht dieses Jahr an Alexei Ekimov, Louis Brus und Moungi Bawendi. Ausgezeichnet werden die für „die Entdeckung und Synthese von Quantum Dots“.

Die Preisträger und ihre Teams haben zum ersten mal (bewusst) ein Material hergestellt, dessen Eigenschaften durch Quanteneffekte bestimmt werden. Mir ist bewusst, das sich das ganz schön kompliziert anhört und auch ich dachte erstmal, dass dieser Beitrag eine ganz schöne Herausforderung wird. Aber zumindest wenn wir uns einfach anschauen, was die Preisträger gemacht haben und was das für die Wissenschaft und unseren Alltag bedeutet, sind die Quantum Dots tatsächlich sehr spannend und gar nicht so schwer zu verstehen.

Wenn ihr allerdings tiefer in das Thema einsteigen wollt, möchte ich euch direkt die Advanced Information auf der Webseite des Nobelpreises empfehlen. Dort könnt ihr ausführlichere und sehr schön aufbereitete Hintergrundinfos finden.

Nanokristalle in farbigem Glas

Die Geschichte dieses Nobelpreises beginnt mit farbigem Glas. Farbiges Glas wird schon lange durch die Zugabe verschiedenster Stoffe hergestellt, zum Beispiel Gold oder Cadmium. Die zugesetzten Stoffe formen Kolloide im Glas. Das heißt hier, dass sie sehr kleine, fein verteilte Partikel bilden, mit dem Glas als sogenanntes Dispersionsmedium.

Alexei Ekimov wollte herausfinden, wie diese kolloidalen Zusatzstoffe die optischen Eigenschaften des Glases verändern. Dazu stellt er Glas her, in dem sich winzig kleine Kupfer(I)-chlorid- (CuCl-)Kristalle bildeten. Interessanterweise änderte sich die Absorption dieses Glases je nachdem, wie groß die CuCl-Partikel waren. (Absorption ist die Aufnahme von Lichtenergie. Der absorbierte Teil des Lichts ist also der Teil, der nicht durchgelassen oder reflektiert wird.)

Ekimov konnte nachweisen, dass sich die Größe der Partikel im Nanometer-Bereich (1 nm ist ein Milliardstel eines Meters) befand, und dass sie damit so klein waren, dass die Änderung der Absorption von Licht durch Quanteneffekte verursacht wurde.

Wieso ist das so wichtig? Nun, typischerweise werden sowohl die optischen als auch die chemischen Eigenschaften eines Materials durch dessen Elektronenstruktur bestimmt, also wie viele Elektronen es hat und welche Energiezustände ihnen zur Verfügung stehen. Schon länger existieren theoretische Überlegungen, dass sich das ändert, sobald die Teilchen eines Materials nur klein genug sind. Dann verfügen sie nicht mehr über die Eigenschaften des Bulk-Materials, die durch die Elektronenstruktur bestimmt sind, sondern besitzen durch Quanteneffekte neue Eigenschaften. Ekimov ist es also gelungen, ein solches Material erstmals experimentell nachzuweisen.

Quantum Dots auch ohne Glas

Allerdings sind Nanopartikel in Glas nicht sonderlich praktisch, wenn man weiter mit ihnen arbeiten möchte. Hier kommt jetzt Louis Brus ins Spiel (ohne dass er von den Erkenntnissen Ekimovs wusste).

Brus und seine Kolleg:innen konnten kolloidale Cadmiumsulphid- (CdS-)Nanopartikel in einem flüssigen Dispersionsmittel herstellen. Die frischen Nanopartikel waren nur wenige Nanometer groß, mit der Zeit entstanden durch Ostwald-Reifung jedoch immer größere Partikel. Als Ostwald-Reifung wird das Phänomen bezeichnet, dass im Laufe der Zeit größere Nano- und Mikropartikel auf Kosten von kleineren Partikeln wachsen, und die kleineren dadurch nach und nach verschwinden (tatsächlich ist Ostwald-Reifung auch in der Pharmazeutischen Technologie ziemlich relevant).

Auch Brus konnte dann beobachten, dass die frischen, kleinen Nanopartikel andere optische Eigenschaften hatten als die „gereiften“ größeren. Das liegt daran, dass in einem Halbleiter wie CdS die Bandlücke der Nanopartikel – wenn sie klein genug sind – von der Größe der Nanopartikel abhängt.

**Die Bandlücke ist abhängig von der Größe der Quantum Dots** (Bild: The Royal Swedish Academy of Sciences / Dong et al. 2015)

Die Bandlücke steht für die Energie zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband, den beiden Energiebereichen, in denen sich Elektronen aufhalten können. Wenn ein Halbleiter angeregt wird, z.B. durch Licht, gehen Elektronen aus dem energieärmeren Valenzband in das energiereichere Leitungsband über. Von der Größe dieser Bandlücke hängt dann ab, welche Wellenlängen des Lichts bei der Anregung absorbiert werden. Je kleiner ein entsprechendes Nanopartikel, ein Quantum Dot, wird, desto größer wird die Bandlücke und desto kurzwelligeres Licht wird benötigt, um Elektronen anzuregen. Das absorbierte (und auch wieder emittierte) Licht wird also immer blauer.

(Bild: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

Zuverlässige Herstellung

Leider waren die Herstellungsmethoden für Quantum Dots noch sehr kompliziert und vor allem unzuverlässig. Moungi Bawendi entwickelte mit seinem Team eine Methode, mit der die benötigten Nanopartikel relativ einfach, zuverlässig und mit einer hohen Qualität hergestellt werden konnten. Dazu werden die Ausgangsstoffe für die Nanopartikel in ein heißes Lösungsmittel gegeben, wo sofort kleine Kristalle entstehen. Da dieses Kristallwachstum aber Wärme benötigt, und die Zugabe der Ausgangsstoffe das Lösungsmittel abkühlt, hören die Kristalle auch sehr schnell wieder auf zu wachsen. Wird das System dann wieder erhitzt, beginnen die Kristalle wieder zu wachsen, und über das kontrollierte Erhitzen kann die Größe der entstehenden Partikel bestimmt werden. Dieses Verfahren hat die breite Verwendung von Quantum Dots erst ermöglicht.

**Herstellung von Quantum Dots** (Bild: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

Aber wofür werden sie überhaupt verwendet? Beispielsweise in Bildschirmen, wo die Eigenschaft der Quantum Dots ausgenutzt wird, dass sie nach Anregung und Absorption von blauem Licht wieder Licht mit einer längeren Wellenlänge (d.h. röteres Licht) aussenden. Aber auch in Photovoltaik-Technologien kommen die Quantum Dots zum Einsatz. Außerdem lassen sich mit ihrer Hilfe sowohl Moleküle innerhalb von Zellen und Organen verfolgen als auch Tumorgewebe innerhalb eines Körpers, was biologische und medizinische Anwendungen ermöglicht.

Das war es jetzt von mir zum Chemie-Nobelpreis 2023. Wie gesagt kann ich euch für mehr Informationen auf jeden Fall die Advanced Information der Nobelpreis-Website ans Herz legen. Und wenn ihr meinen Text über den ebenfalls sehr spannenden Medizin-Nobelpreis 2023 lesen wollt, findet ihr ihn hier.

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Gratulation an Alexei Ekimov, Louis Brus und Moungi Bawendi!

Nobelpreis-Spezial: Physiologie oder Medizin 2023

2. October 2023 / PharmBlog / 1 Comment

Es ist wieder die Zeit des Jahres, zu der die Nobelpreise verkündet werden. Den Anfang gemacht hat heute – am 02.10.23 – der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin, und ich denke, dass das Ergebnis für viele nicht sehr überraschend war. Denn gewonnen haben Katalin Karikó und Drew Weissman „für ihre Entdeckungen zu Modifikationen von Nukleobasen, die die Entwicklung von effektiven mRNA-Impfstoffen gegen COVID-19 ermöglichten“.

Die schnelle Entwicklung von Impfstoffen gegen COVID-19 während der Pandemie war ohne Frage ein unglaublicher Erfolg und hat Millionen von Menschenleben gerettet. Daher war es eigentlich auch nur eine Frage der Zeit, bis dafür auch ein Nobelpreis verliehen wird. Tatsächlich ist es aber doch recht ungewöhnlich, dass es diesen Preis so „früh“ nach der Entwicklung der Impfstoffe gibt, denn häufig vergehen nach der Leistung, die ausgezeichnet wird und der Preisverleihung deutlich mehr Jahre. Allerdings sind die Beweise, dass mRNA-Impfstoffe ein großer Erfolg und dieses Preises absolut würdig sind auch so überwältigend, dass diese Ausnahme wohl verständlich ist.

Ich persönlich hätte – nach der Argumentation von Lars Fischer in diesem Artikel – diesen Preis eher in der Kategorie Chemie gesehen, zusammen mit einer Auszeichnung für die chemische DNA-Synthese. Tatsächlich war das eine sehr häufige Prognose und jetzt bleibt es wohl spannend, wer stattdessen mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet wird.

Das war jetzt aber genug des Vorgeplänkels. Schauen wir uns endlich die Wissenschaft an, für die Karikó und Weissman diesen Preis bekommen haben.

Nukleobasen und mRNA-Modifikationen

Grundsätzlich ist es keine neue Idee, RNA oder DNA für Impfstoffe einzusetzen, da das einige Vorteile gegenüber typischen Impfstoffen aus attenuierten oder inaktivierten Viren oder auch vektor-basierten Impfstoffen bietet (von denen eine billigere Produktion nicht der Unwichtigste ist). Lange Zeit war aber die Immunogenität dieser Impfstoffe ein großes Problem, neben einigen anderen Problemen mit ihrer Effektivität. Immunogenität bedeutet, dass sie eine starke Entzündungsreaktion auslösten und damit einfach unbrauchbar für den Einsatz als Impfstoff waren.

Das liegt daran, dass unsere Zellen eine eingebaute Abwehr gegen fremde RNA besitzen. Viele Viren haben nämlich ein Erbgut aus RNA, und diese virale (aber auch bakterielle) RNA erkennen und neutralisieren zu können ist extrem wichtig für unseren Schutz vor Infektionen. Daher gibt es in unseren Zellen Rezeptoren – die toll-like Rezeptoren, kurz TLRs – die diese Aufgabe übernehmen.

Karikó und Weissman haben mit ihren Teams erkannt, dass dieser Schutzmechanismus auch von in vitro-transkribierter mRNA ausgelöst wird. Das ist mRNA, die nicht aus Zellen stammt und eben jene, die für Impfstoffe eingesetzt wird. Denn die in vitro-transkribierte mRNA ist genauso wie virale und bakterielle mRNA wenig modifiziert. Eukaryoten wie wir Menschen hingegen verändern unsere mRNA ziemlich stark. Und an diesen Veränderungen unterscheidet unser Immunsystem unsere eigene von fremder mRNA.

RNA besteht im Prinzip aus einer Abfolge von vier Nukleobasen, die an einem Rückgrat aufgereiht sind. Das sind einmal Adenin, Guanin und Cytosin, genau wie bei der DNA. Wo bei der DNA aber die Base Thymin ist, hat die mRNA stattdessen die Base Uracil. Wie gesagt werden diese Basen von unseren Zellen noch zusätzlich verändert. Die entscheidende Idee für die mRNA-Impfstoffe war es also, auch die Basen der Impfstoff-mRNA zu verändern.

Karikó und Weissman entdeckten, dass die Modifikation von Uridin die Immunreaktion auf die in vitro-transkribierte mRNA fast vollständig verhinderte, und dass der Austausch von Uridin zu der Base Pseudouridin zusätzlich noch die Proteinexpression deutlich erhöhte. Dadurch entstehen nicht nur weniger Entzündungsreaktionen, sondern die Effektivität der Impfstoffe wurde auch erhöht, weil mehr des Antigens, für das die Impfstoff-mRNA codiert, hergestellt wird.

**Strukturen von Uridin, Pseudouridin und N1-Methylpseudouridin** (Kim et al. 2022, DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111300)

Außerdem fanden die beiden Preisträger:innen heraus, dass bei der Herstellung der Impfstoff-mRNA auch kleine Mengen an doppelsträngiger RNA entstehen, die ebenfalls von toll-like Rezeptoren erkannt wird. Karikó und ihr Team entwickelten daraufhein eine Technik, um diese Verunreinigungen mittels HPLC zu entfernen.

Damit hatte der Siegeszug der mRNA-Modifikation für Impfstoffe begonnen, und auch die beiden mRNA-Impfstoffe gegen COVID-19 von BioNTech und Moderna enthalten diese Modifikationen. Bei ihnen kommt vor allem die modifizierte Base N1-Methylpseudouridin zum Einsatz, die sich als noch effektiver als Pseudouridin herausstellte.

Ich hoffe, das hat euch einen kleinen Überblick über die Wissenschaft hinter diesem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin gegeben. Wenn ihr noch mehr erfahren wollt, kann ich euch wie immer die sehr ausführlichen Advanced Information auf der Webseite der Nobelpreise empfehlen, oder auch dieses Review zu mRNA-Impfstoffen von 2021.

Natürlich wird es auch zu dem Chemie-Nobelpreis 2023 einen Text von mir geben, und bis dahin könnt ihr gerne meinen Newsletter abonnieren, damit ihr keinen Blogbeitrag mehr verpasst.

Gratulation an Katalin Karikó und Drew Weissman!

Nobelpreis-Spezial: Chemie 2022

28. October 2022 / PharmBlog / 2 Comments

Der Chemie-Nobelpreis geht 2022 an K. Barry Sharpless, Morten Meldal und Carolyn Bertozzi, die jeweils ein Drittel des Preises erhalten. Sie werden ausgezeichnet für: „the development of click chemistry and bioorthoganol chemistry“.

Sharpless hat übrigens 2001 schon einmal einen Nobelpreis in Chemie erhalten. Den Preis damals erhielt er für die Entwicklung von stereoselektiven Reaktionen, die wie z.B. die Sharpless-Epoxidierung auch seinen Namen tragen.

Aber hier geht es ja nicht um den Nobelpreis von 2001, sondern um den von 2022. Und damit das ganze einen roten Faden hat, müssen wir bei der click chemistry anfangen und uns dann zur bioorthogonalen Chemie vorarbeiten.

Click-Chemie

Das Konzept, das der Click-Chemie zugrunde liegt, ist im Prinzip ziemlich einfach: man möchte gerne Moleküle so simpel wie möglich zusammenbauen können, wie durch aneinanderstecken von Legosteinen beispielsweise. Spannend wird es, wenn wir uns fragen, wieso. Denn einfach zusammen zu bauende Moleküle ermöglichen es, sehr schnell und einfach sehr viele Stoffe mit unterschiedlichsten Eigenschaften zu erzeugen. Die Substanz-Bibliotheken, die dabei entstehen, sind oft die Grundlage für die Entwicklung neuer Arzneistoffe (na sieh an, endlich mal wieder ein Blogbeitrag mit direktem Bezug zur Pharmazie). Dieses Konzept, durch einfaches Zusammenfügen von Molekülbausteinen eine große Vielfalt an Substanzen herzustellen, nennt man kombinatorische Chemie. Dieses Konzept gibt es auch schon seit einigen Jahrzehnten, aber lange haben die Methoden zum Zusammenfügen der Bausteine gefehlt. Und genau hier kommt die Click-Chemie ins Spiel.

Es gibt eine ganze Reihe an Bedingungen, die eine Reaktion erfüllen muss, um eine gute Click-Reaktion zu sein. Unter anderem sind das: die Reaktion muss ein vielfältiges Anwendungsgebiet haben, sie darf keine komplizierten Reaktionsbedingungen benötigen, sie muss hohe Ausbeuten liefern, sie sollte am besten in Wasser ablaufen können (was viele Reaktionen in der organischen Chemie nicht tun), sie sollte am besten keine Nebenprodukte haben und sie sollte schnell ablaufen. Das sind eine ganze Menge Bedingungen, und dementsprechend schwierig ist es, Reaktionen zu finden, die sie alle erfüllen. Trotzdem ist Sharpless und Meldals Gruppen genau das unabhängig voneinander gelungen.

Die Reaktion, die von den beiden Arbeitsgruppen als erste richtige Click-Reaktion gefunden wurde, ist die 1,3-dipolare Cycloaddition mit Aziden. Was sich erstmal relativ kompliziert anhört, lässt sich aber trotzdem in ein paar Sätzen zusammenfassen. Azide sind eine funktionell Gruppe bestehend aus drei Stickstoffatomen hintereinander. Dabei ist immer eines dieser Stickstoffatome positiv geladen und ein anderes negativ, die funktionelle Gruppe besitzt also einen Dipol. Und Azide können durch diesen Dipol mit Alkenen (zwei Kohlenstoffe durch eine Doppelbindung verbunden) und Alkinen (zwei Kohlenstoffe durch eine Dreifachbindung verbunden) reagieren. Dabei formen sie eine ringförmige Verbindung aus den drei Stickstoff- und den zwei Kohlenstoffatomen. Daher wird diese Art von Reaktion auch als 3+2-Cycloaddition bezeichnet.

Die Cycloaddition mit Aziden an sich eignet sich aber noch nicht unbedingt für die Click-Chemie. Erst eine weitere Entdeckung machte die Reaktion so universell einsetzbar: Die Reaktion kann durch Kupfer katalysiert werden. Die Katalyse sorgt dafür, dass die Reaktion deutlich schneller abläuft, und auch Ausgangverbindungen verwendet werden können, die ohne Katalysator nicht geeignet wären. Durch das Kupfer wurde die 1,3-dipolare Cycloaddition zu einer echten Click-Reaktion, mit der einfach, schnell und mit hoher Ausbeute verschiedenste Molekülfragmente zusammengebaut werden können. Wegen dieser Vielseitigkeit wird die Reaktion auch entsprechend oft eingesetzt; für die Arzneistoffentwicklung, wie ich es weiter oben beschrieben habe, aber natürlich auch in vielen weiteren Anwendungsfeldern.

Bioorthogonale Chemie

Carolyn Bertozzi erhält den Preis für die Anwendung von Click-Chemie als bioorthogonale Reaktion (ein Begriff, der damals übrigens noch nicht existierte und den Bertozzi entscheidend prägte).

Bioorthogonale Reaktionen sind Reaktionen, die so selektiv für die beteiligten Substanzen sind, dass sie sogar in Zellen störungsfrei ablaufen können. Das ist deshalb besonders, weil Zellen extrem vollgepackt sind mit mehr oder weniger reaktiven Molekülen, die zu ungewollten Nebenreaktionen führen können.

Um die Cycloaddition mit Azid in lebenden Systemen benutzen zu können, musste allerdings ein Problem überwunden werden: Kupfer ist ein Schwermetall und damit giftig. Das ist ein ziemlich großes Problem, da es ja gerade der Kupfer-Katalysator ist, der die Reaktion schnell genug ablaufen lässt. Bertozzi und Kollegen haben aber eine Lösung gefunden. Es gibt nämlich Ausgangsstoffe mit speziellen Eigenschaften, bei deren Verwendung die Reaktion auch ohne Katalysator genauso schnell ist.

Wenn man die Azidgruppe mit sogenannten cyclischen Alkinen reagieren lässt, benötigt man kein Kupfer als Katalysator. Cyclische Alkine sind einfach ringförmige Moleküle, die eine Dreifachbindung beinhalten. Und weil sich Dreifachbindungen ungern zu einem Ring biegen lassen, haben diese Moleküle sehr viel Energie, wodurch sie wiederum deutlich reaktiver sind als einfache Alkine. Daher lassen sie sich auch ohne Katalysator einsetzen.

Wozu Bertozzi und ihre Gruppe Click-Reaktion zwischen Azid und cyclischen Alkinen eingesetzt haben, finde ich persönlich extrem spannend. Viele Zellen besitzen um ihre Membran eine Schicht von Polysacchariden, also Zuckermolekülen, die Glykokalyx genannt wird. Die Glykokalyx hat einige wichtige Eigenschaften für die Zellen (z.B. bestimmt die Glykokalyx von Erythrozyten unsere Blutgruppe) und Berrtozzis Gruppe wollte diese Polysaccharidschicht untersuchen. Dafür brachten sie Zellen dazu, in diese Polysaccharide modifizierte Zuckermoleküle einzubauen, die eine Azidgruppe enthalten. Das Azid konnten sie dann wiederum mit einem cyclischen Alkin reagieren lassen, und an das cyclische Alkin konnten sie ein drittes, fluoreszierendes Molekül binden (für die, die es wissen wollen: es handelte sich um ein biotinyliertes cyclisches Alkin und Fluoreszenz-gelabeltes Avidin). Das ermöglichte schließlich einen direkten Zusammenhang zwischen Zuckermolekül und Fluoreszenz. Fluoreszenz-basierte Methoden sind sehr wichtig in der Biochemie, denn es lassen sich mit ihrer Hilfe eine ganze Reihe unterschiedlicher Messungen durchführen. Am Eindrucksvollsten ist aber die Fluoreszenzmikroskopie, mit der Dinge sichtbar gemacht werden können, die ansonsten nicht sichtbar sind. Und dank der bioorthogonalen Chemie gehören Polysaccharide an der Oberfläche von Zellen ebenfalls zu diesen Dingen.

Bertozzi und ihre Gruppe waren außerdem in der Lage, diese Methode nicht nur in der Zellkultur anzuwenden, sondern auch in lebenden Mäusen. Dazu brachten sie auch die Mäuse dazu, modifizierte Zucker an den Zelloberflächen einzubauen. Diese Zellen entnahmen sie dann und färbten sie ex vivo mittels Click-Reaktion und fluoreszierendem Farbstoff.

Die Reaktion zwischen Azid und Alkinen war nicht die einzige, die in Bertozzis Gruppe eingesetzt wurde, wohl aber eine der erfolgreichsten. Und da wir gerade bei anderen Reaktionen sind: Es gibt inzwischen eine wirkliche Fülle an bioorthogonalen Reaktionen, die zu einem Standardwerkzeug in der Biochemie (und vielen anderen Gebieten) geworden sind. Zum Beispiel wird auch in dem Labor, in dem ich arbeite, bioorthogonale Chemie eingesetzt.

Und wie schon bei meinem Beitrag zum Medizin-Nobelpreis gilt: wenn ihr mehr wissen wollt, seht euch am besten die Popular Information oder Advanced information auf der Website des Nobelpreises an.

Nobelpreis-Spezial: Medizin oder Physiologie 2022

3. October 2022 / PharmBlog / 2 Comments

Gestern wurde der Nobelpreisträger in Medizin oder Physiologie 2022 bekanntgegeben. Dieses Jahr geht der Preis an den schwedischen Wissenschaftler Svante Pääbo, der am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig arbeitet. Der Preis wurde verliehen „for his discoveries concerning the genomes of extinct hominins and human evolution”.

In diesem Beitrag möchte ich kurz aufdröseln, was das genau beutet, und was an dieser Forschung so besonders ist.

Das Neandertaler-Genom

Der Kern von Pääbos Arbeit ist eine Frage, die wohl die meisten von uns interessiert: Wo kommen wir her? Denn Svante Pääbo ist Anthropogenetiker und untersucht damit mittels molekulargenetischen Methoden die menschliche Evolution.

Er und seine Arbeitsgruppe waren die ersten, denen es gelang, DNA aus Fossilien eines Frühmenschen (genauer gesagt eines Neandertalers) zu sequenzieren. Damit erhielten sie zum ersten mal genetische Information über einen früheren Vertreter der Gattung Homo.

Wieso ist das jetzt so besonders? Nun ja, das hat unterschiedliche Gründe. Zum einen ist DNA nicht unendlich stabil, sondern zerfällt mit der Zeit (man sagt, sie degradiert). So ist in einer Probe, die voll mit DNA war, nach tausenden Jahren nicht mehr sonderlich viel davon enthalten, sondern höchstens eine Vielzahl unterschiedlicher Degradationsprodukte. Zum anderen ist die fossile DNA oft kontaminiert. Diese Kontaminationen stammen vor allem modernen Menschen, die mit der Probe umgegangen sind, sowie von Mikroorganismen, welche die Probe besiedeln/besiedelten.

Die erste sequenzierte Neandertaler-DNA stammte aus Mitochondrien (den „Kraftwerken der Zelle“, wie sich sicherlich alle aus dem Bio-Unterricht in der Schule noch erinnern). Von dieser mitochondrialen DNA (mtDNA) sind deutlich mehr Kopien in einer Zelle enthalten als von der chromosomalen (der „normalen“) DNA. Deshalb ist von der mtDNA auch nach tausenden Jahren in einem Knochenstückchen noch mehr erhalten.

Das war zwar ein großartiger Durchbruch, allerdings war die Aussagekraft dieses relativ kleinen Stückchens sequenzierter mtDNA (379 bp) begrenzt. Deshalb machten sich sowohl Pääbos Gruppe als auch andere daran, das Wissen um das Neandertaler-Genom zu erweitern. Die Pyrosequenzierung, eine damals neue Sequenzierungstechnik, ermöglichte es, weitaus effizienter zu arbeiten. Der Vorteil hierbei war, dass die fossile DNA nicht erst mittels PCR (Polymerase-Kettenreaktion) und Klonierung in Bakterien vermehrt werden musste, sondern „direkt“ sequenziert werden konnte.

Mit der Zeit gelang Pääbos Gruppe es so, das chromosomale Genom eines Neandertalers zu entschlüsseln, und sogar verschiedene Neandertaler-Genome miteinander zu vergleichen.

Eine neue Frühmenschen-Art

Als Pääbo und seine Gruppe die DNA eines weiteren Neandertaler-Fossils analysieren wollten, entdeckten sie etwas erstaunliches: die mtDNA unterschied sich deutlich stärker von der des modernen Menschen als die eines Neandertalers. Damit handelte es sich bei dem Fossil um eine bisher unbekannte Art der Gattung Homo. Anschließend wurde auch hier das chromosomale Genom entschlüsselt.

Die Denisova-Menschen waren enger mit den Neandertalern verwandt als mit Homo sapiens, und der letzte gemeinsame Vorfahre der drei Arten lebte nach Pääbos Erkenntnissen vor etwa 800 000 Jahren. Im Zuge dessen konnte seine Gruppe auch nachweisen, dass das Verbreitungsgebiet der Neandertaler größer war als angenommen, und sich zu einem großen Teil mit dem Verbreitungsgebiet der Denisova-Menschen deckte.Homo

Mit der Entdeckung der Denisova-Menschen wurde das erste mal eine Frühmenschen-Art nur mit genetischen Daten und ohne morphologische Hinweise identifiziert.

Das war 2008, und in den Jahren seither folgten weitere Erkenntnisse zur Genetik von Neandertalern und Denisova-Menschen. Die Gruppe entwickelte fortgeschrittenere Techniken, um fossile DNA zu untersuchen. Sie generierten mehr Daten, um das Genom der Frühmenschen mit dem des modernen Menschen zu vergleichen. Außerdem untersuchten sie die fossile DNA moderner Menschen, die vor 4000 – 45 000 Jahren gelebt haben.

Was wir daraus lernen können

Pääbos Erkenntnisse zur Genetik von Frühmenschen geben tiefe Einblicke in die Evolution des Menschen. So lassen sie unter anderem Erkennen, dass Neandertaler und Denisova-Meschen bereits gemeinsam Eurasien besiedelten, als Homo sapiens Afrika verlassen hat. Wenn sich Neandertaler und moderne Menschen begegneten, muss außerdem eine Kreuzung der beiden Arten stattgefunden haben. Aus Pääbos Daten lässt sich nämlich ableiten, dass 1 – 2% des Genoms von modernen Menschen außerhalb Afrikas von Neandertalern stammen (außerhalb Afrikas deshalb, weil die meisten Begegnungen von Neandertalern und modernen Menschen außerhalb Afrikas stattgefunden haben). Insgesamt finden sich 40% des Neandertaler-Genoms im Homo sapiens-Genom wieder. Außerdem lässt sich zeigen, die Kreuzung regional unterschiedlich stark gewesen sein muss.

Diese Erkenntnisse beruhen (wie das in der Wissenschaft immer so ist) natürlich nicht nur auf Pääbos Funden, sondern werden auch von morphologischen Daten aus den Fossilien gestützt. Pääbo und das – quasi von ihm erfundene – Feld der Paläogenomik haben allerdings einen enorm großen Beitrag dazu geleistet.

Pääbos Gruppe untersuchte außerdem den Einfluss der Frühmenschen-Gene auf die Physiologie des modernen Menschen. Sie konnten diverse Beispiele finden, bei denen ursprünglich aus Frühmenschen stammende Gene unsere Biologie noch heute beeinflussen. Beispielsweise vermittelt ein „Denisova-Gen“ Vorteile beim Leben in großen Höhen.

Das war also meine Zusammenfassung des Nobelpreises für Medizin und Physiologie (Glückwunsch an den Preisträger, falls er das hier jemals lesen sollte). Wenn ihr euch noch genauer informieren wollt, empfehle ich die Advanced Information auf der Website des Nobelpreises.

Außerdem werde ich, sobald die Preisträger verkündet sind, auch den Chemie-Nobelpreis zusammenfassen. Wenn ihr wollt, könnt ihr dort also auch wieder reinlesen.