Molekulare Fasern können dabei helfen, genetisches Material in Zellen einzuschleusen

Pathogene Viren, die in den menschlichen Körper eindringen, können mit ihren tentakelartigen Fortsätzen an Zellen andocken, woraufhin diese die Viren aufnimmt. Dieser Prozess, der bereits bekannt ist und bei Krankheiten wie HIV auftritt, kann auch für therapeutische Ansätze genutzt werden.

Bei der sogenannten „Gentherapie“ geht es darum, genetisches Material in Zellen einzubringen. Dies ermöglicht vielfältige Anwendungen: Defekte Gene in Zellen, wie sie beispielsweise bei Erbkrankheiten vorkommen, können gezielt ersetzt werden, um die fehlende Zellfunktionalität wiederherzustellen. Ein weiteres Beispiel sind T-Zellen, Immunzellen des Körpers, die neu programmiert werden können, um neu entstehenden Krebs anzugreifen. In allen Fällen ist ein effizienter Transport des genetischen Materials in die Zelle erforderlich.

Die Forschung macht sich nun diese Fähigkeit von Viren zunutze, in Zellen einzudringen. Ein wichtiger Baustein hierfür sind die Proteinverlängerungen, die an die Virushülle andocken: Sie sorgen dafür, dass die Virushüllen an die Zelle andocken.

Forscher um Direktorin Tanja Weil und Gruppenleiter Christopher Synatschke vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung haben nun ein kleines Fragment dieser Proteinverlängerungen auf verschiedenen Größenskalen genauer unter die Lupe genommen. Das Molekül – ein sogenanntes „Peptid“ – besteht aus einer chemischen Verbindung verschiedener Aminosäuren. Mehrere miteinander verbundene Moleküle können lange, spaghettiartige Strukturen bilden, die „Peptidfasern“ genannt werden.

Diese Fasern können als eine Art „Klebstoff“ zwischen sogenannten therapeutischen Viren und Zellhüllen dienen und so den Prozess der Virusaufnahme in Zellen verbessern. Eine verbesserte Bindung kann die für die Gentherapie benötigte Virusdosis reduzieren und die Chancen auf eine erfolgreiche Therapie erhöhen.

Das Team hat nun untersucht, wie die molekulare Zusammensetzung verschiedener Aminosäuren die strukturbildenden Eigenschaften beeinflusst: Mit anderen Worten: Wie wird die Bildung von Fasern oder die Bindung zwischen Virus und Zelle durch die molekulare Struktur beeinflusst?

Zu diesem Zweck haben sie über 150 verschiedene Moleküle untersucht, die auf dem ursprünglichen Proteinfragment basieren. Um zu dieser Vielfalt an Molekülen zu gelangen, ersetzten sie systematisch einzelne Aminosäuren oder vertauschten sie innerhalb des Moleküls.

„Einige der mehr als 150 untersuchten Peptide führten tatsächlich dazu, dass die Bindung der Virushülle an die Zelle verstärkt wurde. Bei anderen bildeten sich überhaupt keine Faseraggregate, die für eine Bindung hätten sorgen können“, sagt Kübra Kaygisiz, Erstautorin der Publikation.

„Wir haben nun versucht herauszufinden, welche chemischen Eigenschaften der Moleküle in erster Linie für die Bindung verantwortlich sind“, ergänzt Christopher Synatschke.

„Mit rechnerischen Methoden konnten wir in unserer experimentellen Studie verschiedene Eigenschaften identifizieren, die einen effizienten Gentransfer ermöglichen“, sagt Kaygisiz. „Überraschenderweise müssen sich unsere Moleküle auch wasserabweisend – hydrophob – verhalten und über eine abwechselnde Anordnung hydrophober und positiv geladener Gruppen innerhalb des Moleküls verfügen, um die Virusbindung zu erhöhen.“

Sie konnten dieses Prinzip auch in anderen natürlich vorkommenden Proteinfragmenten finden, was auf eine universelle Eigenschafts-Aktivitäts-Beziehung hindeutet, die es künstlicher Intelligenz ermöglichte, neue Fasermaterialien vorherzusagen.

Die Forschung wird in Fachzeitschriften veröffentlicht Naturkommunikation Und Biomaterialwissenschaft.

Ihre Erkenntnisse könnten dazu führen, dass die Gentherapie in Zukunft wirksamer wird: Der geringere Einsatz eines Medikaments aufgrund der stärkeren Aufnahme in die Zelle könnte die Therapiechancen deutlich verbessern.