Synthetische Proteine: Die nächste biologische Revolution

Schon seit langem gilt die Natur als wichtige Inspirationsquelle für Wissenschaftler und Ingenieure. Natürliche Vorgänge und Konstruktionen sind oft an Komplexität nicht zu überbieten und bieten gute Vorlagen. Eine wichtige Entwicklung in diesem Bereich sind künstliche Proteine. Würde es gelingen, diese komplexen Stoffe künstlich herzustellen, würde dies völlig neue Möglichkeiten für die Wissenschaft schaffen.

Proteine: Bausteine des Lebens

Proteine sind essentielle Bausteine in der Natur. Ohne sie wäre kein Leben möglich. Ohne Proteine keine Photosynthese, keine Zellatmung oder Zellproliferation. Die kleinen Bausteine können komplexe Aufgaben wie das Lösen von chemischen Bindungen oder Elektronen-Transfers erledigen.

Betrachtet man derartige Prozesse im Detail, so stellt sich heraus, dass oft nicht das Protein selber die treibende Kraft ist, sondern ein Metall-Ion, das an dieses angelagert ist. Das Protein selber bietet die notwendige Umgebung, um die Eigenschaften des Ions zu manipulieren.

Das Periodensystem bietet eine Vielzahl an Metallen. Allerdings stellt sich heraus, dass die Natur manchmal nicht besonders einfallsreich ist. Oft enthalten Proteine mit Metallionen, sogenannte Metalloproteine, Ionen aus der Reihe der sogenannten Übergangselemente. Besonders oft finden sich in solchen Proteinen Eisen- oder Kupfer-Ione. Dies liegt vor allem an der hohen natürlichen Verfügbarkeit dieser Metalle.

Trotz der mangelnden Ionen-Vielfalt handelt es sich bei lebensnotwendigen Prozessen oft um sehr effektive chemische Reaktionen. Künstliche Proteine könnten also eine Vielzahl an Möglichkeiten eröffnen.

Künstliche Proteine: Eine Herausforderung

Nun könnte man annehmen, dass der Weg zu einem künstlichen Protein nicht allzu weit sein dürfte. Mehr noch: Wir haben schließlich das ganze Periodensystem für die Bestückung unserer künstlichen Proteine mit Ionen zur freien Verfügung. Im Grunde sind uns also keine Grenzen gesetzt. Ganz so einfach ist es leider nicht. Denn Proteine sind unfassbar komplexe Konstrukte, und ihre Synthese stellt die Wissenschaft vor einige Herausforderungen.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern rund um Anna Peacock von der Universität Birmingham hat nun jedoch große Fortschritte in diesem Bereich gemacht. Das Team entwarf künstliche Proteine, die mit sogenannten Lanthanoiden bestückt sind. Dabei handelt es sich um Metalle, die in der Natur in Proteinen nur selten vorkommen, jedoch von großem industriellen Nutzen sind.

Möglicher Einsatzbereich: Bessere MRT-Marker

Ein möglicher Einsatzbereich für die künstlichen Proteine von Peacocks Team ist die medizinische Bildgebung. Proteine mit einem Gadolinium-Ion wurden von der Gruppe als Kontrastmittel in der Magnetresonanz-Bildgebung verwendet. So wurde eine deutlich verbesserte Bildqualität gegenüber der Verwendung von normalen Gadolinium-Kontrastmittel erreicht.

Besondere Bedeutung hat das Gadolinium-Metalloprotein allerdings, weil gerade die Konfiguration des Ions in dem Protein selber ausschlaggebend für seine Funktion ist. Wenn derartige Verfahren auch auf andere Metalle übertragen werden können, stünde der Wissenschaft eine völlig neue Welt offen. Peacock sagte über ihr Projekt: “Nature can achieve so much with just a few metals. If we can carefully design new metal environments then perhaps we can achieve chemistry that were never thought possible.”

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