Peptide sind Eiweißverbindungen, die aus einer verhältnismäßig kurzen Molekülkette bestehen. Die Biomoleküle, mit denen sich die Chemikerin Karen Lienkamp beschäftigt, sind ganz spezielle Peptide.
"Peptide, die den Organismus verteidigen sollen gegen Bakterien oder andere Pathogene."
Diese antimikrobiellen Substanzen werden von vielen Lebewesen auf natürlichem Wege synthetisiert. Sie sind Teil des angeborenen Immunsystems. Könnte man sie in großen Mengen im Labor gewinnen, hätte man eine wirkungsvolle Waffe gegen viele Krankheitserreger in der Hand. Das ist allerdings nicht immer ganz einfach. Man könnte die Peptide aus einem Organismus extrahieren, erklärt die Chemikerin, zum Beispiel aus einem Frosch.
"Das ist zum einen nicht sehr angenehm. Weder für den Frosch noch für denjenigen, der das macht. Zum anderen werden Sie da nur ein paar Milligramm von dem Zeug rausbekommen. Also die Aufreinigung, wenn man das aus der Natur extrahiert, wäre sehr, sehr teuer."
Eine andere Möglichkeit: Man könnte die kettenförmigen Eiweißmoleküle im Labor eins zu eins nachbauen. Auch das lässt sich nicht ganz einfach umsetzen, denn ein typisches antimikrobielles Peptid besteht aus rund 200 Einzelbausteinen.
"Die müsste man Schritt für Schritt aneinander hängen. Also 200 Syntheseschritte. Da sind Sie ne Weile beschäftigt. Und das ist auch genau das, was den Einsatz von den natürlichen Stoffen bisher verhindert hat. Es waren einfach nicht große Mengen herstellbar."
Karen Lienkamp und ihr Team von der Universität Freiburg verfolgen daher eine andere Strategie: Sie kopieren die natürlichen Peptide nicht eins zu eins. Sie reduzieren sie auf ihre Essenz, auf die wirklich entscheidenden Eigenschaften und konstruieren dann synthetische Moleküle, die genauso wirken, aber sehr viel einfacher herzustellen sind. Die Chemikerin hat dafür eine Art Baukasten entworfen mit einzelnen Moleküleinheiten, aus denen sie die synthetischen Peptid-Nachahmer zusammen setzen kann. Da gibt es wasserabweisende und fettabweisende Bauteile und solche, welche die lange Kette der fadenförmigen Moleküle bilden. Nur in der richtigen Kombination sind alle drei gemeinsam für die Wirkung der Substanzen verantwortlich.
"Das stecken wir alles zusammen, und wir können die Teilchen beliebig austauschen. Das heißt, wir können die Eigenschaften schön variieren. Und mit diesem Bausatz können wir uns dann das Molekül bauen, das wir möchten und das die Eigenschaften hat, auf die wir zielen, nämlich dass es sehr aktiv gegen Bakterien ist aber keine große Aktivität gegen die Zellen des menschlichen Organismus hat."
Die natürlichen Peptide und die künstlichen Nachahmer zerstören die Bakterien, indem sie deren Zellmembran angreifen, also die dünne Haut um die Keime herum. Im Gegensatz zu Körperzellen tragen die Krankheitserreger negative Ladungen auf ihrer Oberfläche. Dort können sich die künstlichen Molekülketten anlagern. Dafür brauchen sie die fettabweisenden Elemente. Die wasserabweisenden Gruppen sind wichtig, um in die Membran eindringen und sie von innen auflösen zu können.
"Das ist auch ein ganz, ganz wichtiges Strukturelement, dass sie diese zwei Gesichter haben. Wenn sie das nicht hätten, dann könnten sie entweder sich nicht an die Bakterien anlagern oder sich nicht durch die Membran schieben."
Damit besitzen die Substanzen einen wichtigen Vorteil gegenüber herkömmlichen Antibiotika, die immer nur eine ganz spezielle Stelle eines Bakteriums angreifen, etwa einen Rezeptor, den die Zelle zur Fortpflanzung braucht. Den Bauplan dieses Rezeptors kann der Krankheitserreger leicht variieren, so dass das Antibiotikum seine Wirksamkeit verliert. Nicht so bei den antimikrobiellen Peptid-Nachahmern. Um gegen sie resistent zu werden, müssten die Bakterien ihre komplette Membranchemie ändern. Vollkommen ausgeschlossen ist das zwar nicht, aber es würde doch entscheidend länger dauern.
"Peptide, die den Organismus verteidigen sollen gegen Bakterien oder andere Pathogene."
Diese antimikrobiellen Substanzen werden von vielen Lebewesen auf natürlichem Wege synthetisiert. Sie sind Teil des angeborenen Immunsystems. Könnte man sie in großen Mengen im Labor gewinnen, hätte man eine wirkungsvolle Waffe gegen viele Krankheitserreger in der Hand. Das ist allerdings nicht immer ganz einfach. Man könnte die Peptide aus einem Organismus extrahieren, erklärt die Chemikerin, zum Beispiel aus einem Frosch.
"Das ist zum einen nicht sehr angenehm. Weder für den Frosch noch für denjenigen, der das macht. Zum anderen werden Sie da nur ein paar Milligramm von dem Zeug rausbekommen. Also die Aufreinigung, wenn man das aus der Natur extrahiert, wäre sehr, sehr teuer."
Eine andere Möglichkeit: Man könnte die kettenförmigen Eiweißmoleküle im Labor eins zu eins nachbauen. Auch das lässt sich nicht ganz einfach umsetzen, denn ein typisches antimikrobielles Peptid besteht aus rund 200 Einzelbausteinen.
"Die müsste man Schritt für Schritt aneinander hängen. Also 200 Syntheseschritte. Da sind Sie ne Weile beschäftigt. Und das ist auch genau das, was den Einsatz von den natürlichen Stoffen bisher verhindert hat. Es waren einfach nicht große Mengen herstellbar."
Karen Lienkamp und ihr Team von der Universität Freiburg verfolgen daher eine andere Strategie: Sie kopieren die natürlichen Peptide nicht eins zu eins. Sie reduzieren sie auf ihre Essenz, auf die wirklich entscheidenden Eigenschaften und konstruieren dann synthetische Moleküle, die genauso wirken, aber sehr viel einfacher herzustellen sind. Die Chemikerin hat dafür eine Art Baukasten entworfen mit einzelnen Moleküleinheiten, aus denen sie die synthetischen Peptid-Nachahmer zusammen setzen kann. Da gibt es wasserabweisende und fettabweisende Bauteile und solche, welche die lange Kette der fadenförmigen Moleküle bilden. Nur in der richtigen Kombination sind alle drei gemeinsam für die Wirkung der Substanzen verantwortlich.
"Das stecken wir alles zusammen, und wir können die Teilchen beliebig austauschen. Das heißt, wir können die Eigenschaften schön variieren. Und mit diesem Bausatz können wir uns dann das Molekül bauen, das wir möchten und das die Eigenschaften hat, auf die wir zielen, nämlich dass es sehr aktiv gegen Bakterien ist aber keine große Aktivität gegen die Zellen des menschlichen Organismus hat."
Die natürlichen Peptide und die künstlichen Nachahmer zerstören die Bakterien, indem sie deren Zellmembran angreifen, also die dünne Haut um die Keime herum. Im Gegensatz zu Körperzellen tragen die Krankheitserreger negative Ladungen auf ihrer Oberfläche. Dort können sich die künstlichen Molekülketten anlagern. Dafür brauchen sie die fettabweisenden Elemente. Die wasserabweisenden Gruppen sind wichtig, um in die Membran eindringen und sie von innen auflösen zu können.
"Das ist auch ein ganz, ganz wichtiges Strukturelement, dass sie diese zwei Gesichter haben. Wenn sie das nicht hätten, dann könnten sie entweder sich nicht an die Bakterien anlagern oder sich nicht durch die Membran schieben."
Damit besitzen die Substanzen einen wichtigen Vorteil gegenüber herkömmlichen Antibiotika, die immer nur eine ganz spezielle Stelle eines Bakteriums angreifen, etwa einen Rezeptor, den die Zelle zur Fortpflanzung braucht. Den Bauplan dieses Rezeptors kann der Krankheitserreger leicht variieren, so dass das Antibiotikum seine Wirksamkeit verliert. Nicht so bei den antimikrobiellen Peptid-Nachahmern. Um gegen sie resistent zu werden, müssten die Bakterien ihre komplette Membranchemie ändern. Vollkommen ausgeschlossen ist das zwar nicht, aber es würde doch entscheidend länger dauern.