Erweitertes Wörterbuch des Lebens

Chemiker können fast beliebig viele Aminosäuren herstellen. Die Natur benutzt aber nur zwanzig davon. Aus ihnen bauen Zellen alle Proteine - also Eiweißmoleküle - auf, die für das Leben notwendig sind. Doch Dr. Nediljko Budisa vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried will einen Schritt weiter gehen.

"Offensichtlich genügen der Natur diese 20 Bausteine. Aber für die technische Nutzung möchten wir dieses Repertoire erweitern, zum Beispiel für die Biotechnologie und neue Materialien. Deshalb versuchen wir, die Maschinerie zur Eiweißherstellung umzuprogrammieren."

Ganz einfach ist es allerdings nicht mit dem Umprogrammieren der natürlichen Proteinherstellung. Zunächst müssen die Forscher künstliche Aminosäuren herstellen, die es so in der Natur nicht gibt. Dazu tauschen sie bei natürlichen Aminosäuren einzelne Atomgruppen aus. Das ist aber noch nicht alles. Denn zu jedem der zwanzig natürlichen Bausteine gehört ein eigenes Enzym, das genau diese Aminosäure in ein Eiweiß einbaut.

"Um einen künstlichen Baustein in ein Protein hinein zu bekommen, müssen wir also am Besten auch ein künstliches Enzym erzeugen. Es sollte die neue Aminosäure in das Eiweiß einbauen, wenn wir der Zelle diesen Baustein anbieten. Gleichzeitig müssen wir aber dafür sorgen, dass es dafür auch eine entsprechende Information auf der genetischen Ebene gibt."

Denn Eiweiße werden in den Zellen streng nach der Bauanleitung der Gene hergestellt. Wer also erreichen möchte, dass Zellen eine nicht-natürliche Aminosäure in ein Protein einbauen, der muss dazu auch eines der Wörter in der Sprache des genetischen Kodes zweckentfremden. Ganz nach dem Motto "friss oder stirb" verwenden die Forscher dann ein Nährmedium für die Zellkultur, dem eine natürliche Aminosäure fehlt. Als Ersatz bieten sie nur den künstlichen Baustein an. Ist das Umprogrammieren der genetischen Information gelungen, dann bauen die Zellen Eiweiße mit der unkonventionellen Aminosäure auf.

"Hinter all dem steckt eine Vision: Zumindest im Labor möchten wir die Evolution des Lebendigen selbst in die Hand nehmen."

Dabei versuchen die Forscher, die Palette der chemischen Elemente in den Aminosäuren zu erweitern. Denn die Natur beschränkt sich auf Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel. Nur sehr selten baut sie das Spurenelement Selen ein. Im Labor sind der Fantasie dagegen keine Grenzen gesetzt: An die natürlichen Aminosäuren lassen sich Fluor, Chlor und Jod anhängen, aber auch Farbstoffgruppen, Zuckerreste und vieles mehr. Dass dies in der Natur nicht geschieht, hat seinen guten Grund.

"Normalerweise würde das die Zellen so stark schädigen, dass sie nicht überleben könnten. Die Zellen, die wir verwenden, sind nur im Labor lebensfähig. Außerhalb sterben sie ab. Sie hängen völlig von den Laborbedingungen ab, die wir ihnen vorgeben."

Noch sind diese Laborversuche weit weg von einer industriellen Herstellung. Doch Nediljko Budisa erwartet eine Reihe von Anwendungen für die Proteine mit künstlichen Bausteinen. So könnten sie als Biosensor dienen.

"Denken Sie an ein Eiweißmolekül, das Schwermetalle bindet - also Kadmium, Quecksilber oder Platin - und das daraufhin beispielsweise seine Farbe ändert. Gibt man ein solches Protein zu einer Gewässerprobe, könnte es sofort anzeigen, ob und wie stark sie mit einem Schwermetall verunreinigt ist."

Auch sind Eiweiße vorstellbar, die sich nicht wie sonst in Wasser lösen, sondern in organischen Lösungsmitteln wie Aceton. Das könnte für die chemische Industrie interessant sein. Die Medizin könnte ebenfalls von den künstlichen Aminosäuren profitieren. Denn angeheftete Zuckermoleküle machen therapeutisch wichtige Eiweiße besser verträglich. Und Proteine mit giftigen Bausteinen könnten als Medikamente in Krebszellen eingeschleust werden.