Ob es darum geht, Tumore zu bekämpfen oder Plastik abzubauen, der amerikanische Wissenschaftler David Baker, Mitträger des diesjährigen Nobelpreises für Chemie, hat eine Antwort: Proteine zu konstruieren, die in der Natur nicht vorkommen – ein Konzept, das einst als „verrückt“ abgetan wurde.
Heutzutage fließen kontinuierlich Proteine mit neuartigen Funktionen aus seinem Labor, mit einer endlosen Liste möglicher Anwendungen, die von ultrazielgerichteten Therapien bis zur Entwicklung neuer Impfstoffe reichen.
„In Bezug auf die Bandbreite der Probleme, mit denen wir heute in den Bereichen Medizin und Gesundheit, Nachhaltigkeit, Energie und Technologie konfrontiert sind, glaube ich, dass das Potenzial für Proteindesign enorm ist“, sagte Baker der Nachrichtenagentur per Videoanruf aus Seattle, wenige Stunden nachdem er von seinem Nobelpreis erfahren hatte zwei weitere Preisträger.
Proteine sind organische Moleküle, die bei fast jeder Funktion lebender Organismen eine grundlegende Rolle spielen, von der Muskelkontraktion und der Nahrungsverdauung bis zur Neuronenaktivierung und mehr.
„Die in der Natur vorkommenden Arten haben sich entwickelt, um alle Probleme zu lösen, die bei der natürlichen Selektion auftraten“, erklärte der 62-jährige Professor der University of Washington.
„Aber der Mensch steht heute vor neuen Problemen“, fügte der Biochemiker und Bioinformatiker hinzu.
„Wir heizen den Planeten auf, daher brauchen wir neue Lösungen in den Bereichen Ökologie und Nachhaltigkeit. Wir leben länger, daher gibt es neue Krankheiten, die relevant sind, wie die Alzheimer-Krankheit. Es gibt neue Krankheitserreger wie das Coronavirus.“
Anstatt diese Probleme der Evolution zu überlassen – eine „brutale“ Lösung, die sehr, sehr lange dauern würde – „können wir diese Probleme mit neuen Proteinen lösen, aber in sehr kurzer Zeit“, sagte er.
Vom Rand zum Mainstream
Alle Proteine bestehen aus Ketten von Aminosäuren, deren Reihenfolge ihre Form – und letztendlich ihre Funktion – bestimmt.
Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, Proteinstrukturen anhand dieser Aminosäuresequenzen zu bestimmen.
In den späten 1990er Jahren machte Baker mit einer von ihm entwickelten Computersoftware namens Rosetta Fortschritte bei der Lösung dieses Problems.
Sein Erfolg veranlasste ihn, seinen Fokus auf den umgekehrten Ansatz zu verlagern: Er begann mit einer gewünschten Form und verwendete Rosetta, um die entsprechende Aminosäuresequenz zu identifizieren. Diese Sequenz kann dann in Bakterien eingeführt werden, die das neue Protein synthetisieren, das geerntet und untersucht werden kann.
Im Jahr 2003 veröffentlichte er seine bahnbrechende Entdeckung – die Schaffung des ersten Proteins, das in der Natur nicht vorkommt – obwohl ihm noch eine definierte Funktion fehlte.
„Dann begannen wir zu versuchen, Proteine zu entwickeln, die tatsächlich nützliche Dinge tun würden“, erinnert sich Baker. „Und dann haben die Leute, glaube ich, wirklich angefangen zu denken, dass es verrückt ist.“
Aber „in den letzten 20 Jahren – und ganz aktuell in den letzten fünf Jahren – waren wir in der Lage, Proteine herzustellen, die alle möglichen erstaunlichen Dinge bewirken“, sagte er. Rosetta wurde inzwischen schrittweise verbessert, um künstliche Intelligenz zu integrieren.
„Ich denke, was jetzt irgendwie lustig ist, ist, dass die Randgruppe der Wahnsinnigen, die so gut wie niemand gemacht hat, jetzt im Mainstream angekommen ist“, fügte er lachend hinzu.
Schlüssel, die in Schlösser passen
Wie entscheiden Wissenschaftler, welche Form ein neues Protein benötigt, um die gewünschte Funktion zu erfüllen?
Baker nennt als Beispiel einen Tumor. „Wir kennen ein Protein, das sich auf der Oberfläche dieses Tumors befindet, und wir kennen seine Form. Wir entwerfen ein Protein, das wie ein Schlüssel funktioniert, der in ein Schloss passt“, erklärte er.
Eine weitere Anwendung: Plastik zersetzen. In diesem Fall soll sich ein Protein an das Kunststoffmolekül heften, begleitet von chemischen Verbindungen, um es zu „schneiden“.
In der Medizin wurde diese Technologie bereits in einem in Südkorea zugelassenen COVID-19-Impfstoff eingesetzt. Forscher erforschen auch sein Potenzial zur Herstellung neuer Materialien.
„In der Biologie haben wir Zähne und Knochen, wir haben Schalen, die aus Proteinen bestehen, die mit anorganischen Verbindungen wie Calciumcarbonat oder Calciumphosphat interagieren“, sagt Baker und stellt sich vor, dass Proteine mit anderen Verbindungen interagieren, um völlig neue Materialien mit einzigartigen Eigenschaften zu schaffen.
Abscheidung von Treibhausgasen, ein universeller Grippeimpfstoff, ein verbessertes Gegengift – Bakers Wunschliste lässt sich endlos fortsetzen.
„Da das Proteindesign immer leistungsfähiger wird, bin ich unglaublich gespannt auf all die Probleme, die wir lösen können.“
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