Der natürliche Klettverschluss

Berliner Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen das Prinzip der Multivalenz und wollen es für Medizin und Biotechnologie nutzbar machen.

08.09.2017

Hält sicher dank Multivalenz: Läuft ein Gecko über Glas, treten Tausende winzige Härchen an den Füßen des Geckos mit dem Glas in Wechselwirkung.

Hält sicher dank Multivalenz: Läuft ein Gecko über Glas, treten Tausende winzige Härchen an den Füßen des Geckos mit dem Glas in Wechselwirkung.
Bildquelle: Skitterphoto/ Pixabay (CC0 Creative Commons)

Wenn ein Gecko mühelos kopfüber auf einer spiegelglatten Glasfläche läuft, dann ist Multivalenz im Spiel. Multivalenz ist ein Prinzip der Natur, bei dem eine starke Bindung durch eine Vielzahl eher schwach miteinander reagierender Bindungspartner zustande kommt. Im Falle des Geckos sind dies Tausende winziger Härchen an seinen Füßen, die mit dem Glas in Wechselwirkung treten. Die Bindung einzelner Haare mit der Oberfläche ist dabei schwach, aber alle zusammen bieten dem Gecko einen festen Halt. Dieser Mechanismus findet sich in vielen biologischen Vorgängen. Auch Viren oder Bakterien nutzen ihn zum Anheften an die Wirtszelle, die sie infizieren.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Sonderforschungsbereiches 765 „Multivalenz als chemisches Organisations- und Wirkprinzip“ inspirierte diese Beobachtung aus der Natur zu Überlegungen, wie dieses Prinzip genutzt werden könnte. Acht Berliner Forschungseinrichtungen sind an dem an der Freien Universität Berlin angesiedeltem Verbund beteiligt, darunter die Humboldt-Universität, die Charité, die Technische Universität Berlin und das Robert-Koch-Institut.

Entzündungen scannen

Sonderforschungsbereiche

Das multivalent bindende Makromolekül namens Polyglycerolsulfat hemmt beispielsweise Entzündungen, die bei schmerzhaften Gelenkerkrankungen wie Arthritis oder Rheuma eine Rolle spielen. Dafür dockt es an Entzündungsstoffe und blockiert so den weiteren Entzündungsprozess. Das Molekül kann aber noch mehr: Auf Polyglycerolsulfat beruht auch die Synthese eines fluoreszierenden Farbstoffes, der sich ebenfalls an Entzündungsstoffe bindet, die dann mithilfe eines „Rheumascanners“ sichtbar gemacht werden können. So kann die Krankheit bereits in einem frühen Stadium dokumentiert werden, was für eine erfolgreiche Therapie entscheidend sein kann. Beide Wirkstoffe wurden im Rahmen eines Transferprojektes mit der Firma mivenion GmbH erfolgreich in vorklinischen Studien getestet.

Der Erfolg des Forschungsverbundes liege in der starken Verankerung in der Grundlagenforschung begründet, erklärt Chemieprofessor Rainer Haag von der Freien Universität und Sprecher des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereiches. „Das Multivalenz-Projekt hatte seinen Ursprung in der Chemie. In den drei Förderzeiträumen von 2008 bis heute hat es sich aber schnell hin zur Anwendung und damit zu anderen Disziplinen wie Biologie, Biophysik und Medizin weiterentwickelt.“ Der Leibniz-Humboldt-Professor Christian Hackenberger vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie betont, wie wichtig es sei, dabei die grundlegenden Mechanismen nicht aus den Au

Viren blocken

Die Virus-Zellbindung als erster Schritt einer viralen Infektion (l.) und wie sie durch klassische Wirkstoffe teilweise gehemmt wird (M.). Im Gegensatz dazu können multivalente Wirkstoffe (r.) Viren effizient abschirmen und die Infektion blockieren.

Die Virus-Zellbindung als erster Schritt einer viralen Infektion (l.) und wie sie durch klassische Wirkstoffe teilweise gehemmt wird (M.). Im Gegensatz dazu können multivalente Wirkstoffe (r.) Viren effizient abschirmen und die Infektion blockieren.
Bildquelle: Studio Good (T. Päch) / Bearbeitung W. Fischer

Mit den Erkenntnissen aus der Multivalenzforschung lassen sich auch Krankheitserreger besser bekämpfen. Ein wichtiger Vorstoß für die antivirale Medikamentenentwicklung ist einigen Wissenschaftlern des Sonderforschungsbereiches erst kürzlich gelungen. In einer im April 2017 im Fachmagazin „Angewandte Chemie“ veröffentlichten Studie, die von vier verschiedenen Arbeitsgruppen in der Chemie, Biophysik, Strukturbiologie und Medizin erstellt worden ist, beschreiben die Forscherinnen und Forscher, wie Grippeviren mit hochgerüsteten Nanosystemen unschädlich gemacht werden können. Bei den Wirkstoffen handelt es sich um kurze Antikörperfragmente, die an einer baumartig verzweigten Gerüststruktur hängen. Sie binden sich an die Viren und blockieren so das Anheften und Eindringen in die Lungenzellen. So ist der Virus effizient abgeschirmt. Die Bindungsstärke dieser Nanosysteme übersteigt diejenige der solitären Antikörperfragmente an den Virus um ein Vielfaches. Man habe den grundsätzlichen Nachweis erbringen können, dass auch gegen andere Viren ähnliche Wirkstoffe denkbar wären, sagt Haag.

Wichtig sei, erklärt der Chemiker Christian Hackenberger, die richtige Größe und Beschaffenheit der Gerüststruktur zu finden, an dem die Bindungspartner angedockt werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bewegen sich dabei im Nanometerbereich. Ein Grippevirus beispielsweise hat einen Durchmesser von etwa 100 Nanometern. Zum Vergleich: Ein Stecknadelkopf misst im Durchmesser etwa eine Million Nanometer.

„Die richtige Balance zwischen Rigidität und Flexibilität muss jedes Mal aufs Neue gefunden werden“, erklärt Hackenberger. Zur Veranschaulichung nennt er den Klettverschluss. „Die vielen Häkchen auf der einen Seite hängen sich in die Ösen auf der anderen Seite und bilden damit einen sehr starken Verschluss, obwohl die einzelnen Beziehungen zwischen Häkchen und Ösen schwach sind.“ Man brauche eine gewisse Biegsamkeit des Trägerstoffes, damit Haken und Ösen Spiel haben, sich zu finden. Und auch wieder zu lösen, denn die Umkehrbarkeit der Bindung ist entscheidend. Auch der Gecko bleibt nicht dauerhaft an der Scheibe kleben.

Bakterien einwickeln

Kohlenstoffgitter hüllen die Keime ein wie Folie eine Bulette.

Kohlenstoffgitter hüllen die Keime ein wie Folie eine Bulette.
Bildquelle: Studio Good (T. Päch) / W. Fischer

Um starke, aber auch umkehrbare Wechselwirkungen zu erreichen, experimentiert die Gruppe von Rainer Haag mit Graphen als Trägersubstanz. Diese dünne zweidimensionale Kohlenstoffstruktur ist sehr biegsam, dabei aber auch sehr stabil. Die Forscher „dekorieren“ die Graphenschicht mit Molekülen, die sich an Bakterienoberflächen binden und diese gleichsam einwickeln. Zusammen mit der Firma Largentec – einem Start-up auf dem Campus der Freien Universität – wollen sie nun Filtersysteme bauen, mit denen Wasser von Bakterien gereinigt wird. Durch ein Absorbermaterial aus solchen Graphenschichten sollen Bakterien eingefangen und dann durch Sauerstoffradikale getötet werden – „Catch and Kill“ ist der griffige Produktslogan.

Die Forscherinnen und Forscher blicken mit Zufriedenheit auf die fast zehn Jahre des Sonderforschungsbereiches zurück. Sie schauen aber vor allem mit Zuversicht voraus. Durch die intensive Zusammenarbeit habe man sich gut kennengelernt und großes Vertrauen gewonnen, sagt Hackenberger: „Das sind alles Leute, die dicke Bretter bohren.“ Das Projekt habe sich ausgeweitet auf weitere Forschungsgruppen, und so wird auch in Zukunft inter- und transdisziplinär das multivalente Wirkprinzip erforscht werden.