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Umwelt+Natur

"in silico" statt "in vitro": Protein-Design per Computer

Wie kleine Moleküle an Proteine andocken können, beeinflusst wesentlich die Wirkweise von Antikörper und Rezeptoren. Amerikanische Wissenschaftler haben nun einen Weg gefunden, diese Schlüsselfunktion bei der Kommunikation zwischen den Zellen oder der Immunabwehr des Körpers mit Computerprogrammen gezielt zu simulieren. Über die ersten Ansätze dieser Methode des Protein-Designs, das die Entwicklung von Biosensoren oder medizinischen Wirkstoffen stark beschleunigen könnte, berichten sie in der Fachzeitschrift Nature (Vol. 423, S. 185)

Trotz moderner Biochips mit Tausenden von Reaktionsmulden kann es sehr lange dauern, um im Labor-Experiment, „in vitro“, einen Weg zu finden, um Proteine für das Andocken bestimmter Moleküle zu modifizieren. Die Vielzahl der Abermilliarden von Möglichkeiten, diese chemischen Eigenschaften gezielt zu verändern, kann nun auf den leistungsstarken Computern der „Bioinformatiker“der Duke University in Durham in ihrem „in silico“-Verfahren schneller getestet werden.

Über geschickte Algorithmen in ihrer Software berechneten sie die Liganden ? die chemisch aktiven Molekülgruppen, die für das Andocken verantwortlich zeichnen ? an einem „periplasmischen Bindungsprotein“ der E.coli-Bakterien. An einem virtuellen Molekül durchspielten sie die notwendigen Mutationen von 12 bis 18 Aminosäuren, um statt den natürlichen Reaktionspartner die Moleküle des Botenstoffs Serotonin, von Trinitrotuluol (TNT) oder von einem Milchzucker andocken zu können.

Aus den Berechnungen bekommen Molekularbiologen nun hilfreiche Hinweise, welchen Weg sie im Labor einschlagen müssen, um die gewünschten Proteinänderungen zu erhalten. Tatsächlich konnten die Duke-Forscher ihre Rechenergebnisse auch schon teilweise im Labor erfolgreich umsetzen. Je ausgefeilter diese Rechenprogramme und die dazu notwendigen Datenbanken über das chemische Verhalten der Moleküle in Zukunft werden, desto leichter wird es sein, sich den Syntheseweg von einem Computer vorschlagen zu lassen. So könnten aktive Substanzen auf Biosensoren oder sogar neue Wirkstoffe in der Medizin schneller und gezielter entdeckt und entwickelt werden.

Jan Oliver Löfken
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