Pilze als Grundlage der zellfreien Proteinsynthese

Der Markt für proteinbasierte Pharmazeutika soll 2020 ein Volumen von 250 Milliarden US-Dollar erreichen. Auch in der Chemieindustrie kursieren ähnliche Zahlen für den Einsatz von Proteinen. Industrielle Syntheseprozesse aber auch die Medikamentenentwicklung benötigen gereinigte Proteine. Und sie benötigen viel davon. Eine von Prof. Dr. Katrin Scheibner vom Fachgebiet Enzymtechnologie der BTU und von Prof. Dr. Martin Hofrichter von der TU Dresden in Pilzen entdeckte Enzymgruppe, die Peroxygenasen, verspricht hohe Umsatzraten für die Industrie und gerade in der Entwicklung und Erforschung von Medikamenten große Innovationspotentiale.

Um das katalytische Potential der Peroxygenasen auszuschöpfen und auch ihre Herstellung in großem Maßstab möglich zu machen, wollen Forscherinnen und Forscher der BTU, des Fraunhofer IZI-BB in Potsdam-Golm sowie des Internationalen Hochschulinstituts (IHI) Zittau der TU Dresden ihre Expertisen im Projekt PZ-Syn »Pilzbasierte zellfreie Synthese-Plattformen« vereinen.

Was die Peroxygenasen für die Medizin so interessant macht, ist die Ähnlichkeit zu komplexen Leberenzymen. Das bedeutet, dass sie dieselben Abbauvorgänge anregen, die sich auch in der menschlichen Leber ereignen, wenn Medikamente abgebaut werden. Die Metabolite, also die Abbauprodukte dieser Medikamente können mitunter starke Nebenwirkungen erzeugen. Die Pharmaindustrie hat daher großes Interesse, möglichst viele dieser Medikamenten-metabolite zu Testzwecken verfügbar zu haben.

»Im Gegensatz zu anderen, insbesondere nicht hämhaltigen Proteinen lassen sich die unspezifischen Peroxygenasen nur schwer heterolog, also durch Wirtsorganismen wie zum Beispiel Bakterien in aktiver Form produzieren«, erklärt Katrin Scheibner. Aktuell müssen sie da isoliert werden, wo sie natürlicherweise vorkommen: in den Pilzen. Eine Alternative wäre es, die katalytische Vielfalt der Peroxygenasen zellfrei, also ohne lebendes Wirtssystem herzustellen. Eine aufwendige Reinigung von Kultivierungsbestandteilen und auch die Abhängigkeit von lebenden Zellen würden wegfallen. Weltweit führend auf dem Gebiet der automatisierten zellfreien Proteinsynthese in größerem Maßstab sind Dr. Stefan Kubick und seine Arbeitsgruppe vom Fraunhofer IZI-BB, Institut für Zelltherapie und Immunologie, Institutsteil Bioanalytik und Bioprozesse.

Wenn die Herstellung der Peroxygenasen in der Kooperation zwischen BTU und Fraunhofer IZI-BB gelingt, könnten verschiedenste Metabolite von Medikamenten erzeugt werden. Deren Ähnlichkeit zu durch Leberenzyme entstandener Metaboliten könnte dann mithilfe der Leberzelllinien, die Prof. Dr. Jan-Heiner Küpper am Fachgebiet Molekulare Zellbiologie der BTU kultiviert, überprüft werden.

»Mit der Etablierung von zellfreien Syntheseplattformen, die gleichzeitig einen so direkten Bezug zur Funktionsweise der menschlichen Leber haben, werden wir auch eine neue Generation pharmakologischer Testsysteme entwickeln können.«

Der Start des Kooperationsvorhabens ist der 1. Juli 2018. Die Fördersumme beträgt rund 5 Mio Euro. Im weiteren Verlauf soll auf Basis des Projekts eine neue Außenstelle des Fraunhofer IZI-BB am Campus Senftenberg etabliert werden. Das Ziel ist, möglichst frühzeitig Aufträge aus der Industrie für
die Produktion von interessanten Proteinen zu erhalten und somit den Aufbau und die Etablierung der Fraunhofer Außenstelle in Senftenberg zu befördern.