Ein künstlicher Golgi-Apparat
Zum ersten Mal haben Forscher eine Organelle, eine Funktionseinheit einer Zelle, auf einem Biochip nachgebaut. Damit wollen sie endlich den Blutgerinnungshemmer Heparin herstellen, der seit 90 Jahren nur aus dem Darm von Schweinen gewonnen werden kann.
- Lauren Gravitz
Heparin ist einer der am häufigsten genutzten medizinischen Wirkstoffe in Krankenhäusern in aller Welt. Wo immer die Blutgerinnung unterbunden werden soll, ob bei Dialysen oder Herzoperationen, wird das Polysaccharid eingesetzt. Doch obwohl mit Heparin-Medikamenten jährlich sechs Milliarden Dollar umgesetzt werden, mutet seine Herstellung altmodisch an: Über 90 Jahre nach seiner Entdeckung muss es immer noch aus dem Dünndarm von Schweinen gewonnen werden. Ein neuer Biochip soll das ändern. Auf ihm befindet sich eine künstliche Organelle, wie bestimmte Funktionseinheiten in Zellen genannt werden. Damit wollen Forscher des Rensselaer Polytechnic Instititute in Troy im US-Bundesstaat New York verstehen, wie der menschliche Körper selbst Heparin produziert.
Zwar haben Wissenschaftler immer wieder versucht, den Wirkstoff zu synthetisieren. Denn das Risiko einer Verunreinigung der aus Schweinen hergestellten Variante ist groß. Erst 2008 starben mehrere Menschen daran. Das Riesenmolekül, das die höchste Ladungsdichte aller Biomoleküle aufweist, erwies sich bislang aber als schwerer Brocken.
Das liegt zu einem guten Teil daran, dass Heparin natürlicherweise in einer ganz besonderen Organelle produziert wird: im Golgi-Apparat. Der ist eine Art zelluläre Packstation: Proteine werden hier zum Abtransport aus der Zelle vorbereitet, indem sie mit Zuckermolekülen zu Glycoproteinen umgebaut werden. Wie dieser chemische Prozess genau abläuft, konnten Generationen von Wissenschaftlern jedoch nicht aufklären. „Der Golgi-Apparat wurde vor 100 Jahren entdeckt, aber er ist immer noch eine Blackbox“, ärgert sich Robert Linhardt, Biologe am Rensselaer Polytechnic Institute, der seit 30 Jahren an Heparin forscht. „Proteine gehen in den Apparat hinein und kommen als Glycoproteine wieder hinaus. Wir kennen zwar die Enzyme, die daran beteiligt sind, aber wir wissen noch nicht, wie sie gesteuert werden.“
Deshalb beschlossen Linhardt und seine Kollegen, den Golgi-Apparat nachzubauen. Das Ergebnis ist die erste künstliche Organelle in Form eines mikrofluidischen Chips, der einige Funktionen des Golgi-Apparats ausführen kann. Mit seiner Hilfe können die Forscher nun die Bewegung eines Tröpfchens steuern, Enzyme und Zuckermoleküle hinzufügen, das Tröpfchen teilen und dabei ganz langsam eine Molekülkette aufbauen, die dem Heparin ähnelt. „Wir können diesen Zusammenbau jetzt so kontrollieren, wie es der Golgi-Apparat macht“, sagt Linhardt. „Ich glaube, man kann das mit Fug und Recht einen künstlichen Golgi-Apparat nennen. Im nächsten Schritt wollen wir noch kompliziertere Reaktionen hinbekommen.“
Bislang habe man schon Einzelteile des chemischen Werkzeugkastens gehabt, um solche Kohlenhydrate herzustellen, aber die Natur nachzuahmen sei noch besser, sagt Paul DeAngelis, Molekularbiologe an der Universität von Oklahoma, der an der Arbeit nicht beteiligt war. „Die Miniaturisierung, die sie vorgenommen haben, entspricht der Arbeitsweise des Körpers und des Golgi-Apparats. Ein schönes Modell.“
Obwohl die Form von Heparin und die beteiligten Enzyme bekannt sind, fehlt immer noch das Verständnis für den Ablauf der Synthese. „Das Problem ist so, als ob Sie ein Haus bauen wollen nur anhand des Bildes, wie es im fertigen Zustand aussehen soll“, sagt Linhardt. „Sie brauchen aber einen Bauplan. Sie müssen wissen, in welchen Schritten das Haus gebaut wird.“ Der mikrofluidische Chip helfe nun, all die chemischen Sägen, Hämmer und Strebebalken richtig einzusetzen, um ein „Heparin-Haus“ zu bauen. Um den exakten Prozess herauszubekommen, variieren die Forscher die Mengen der Reaktionsbestandteile und die Reaktionszeiten.
„Das Projekt ist eine Kombination aus Ingenierwissenschaft und Biologie. Man kann das zwar auch im Reagenzglas machen, aber mit dem Chip lässt sich der Prozess automatisieren.“, lobt Jeffrey Esko, Biologe an der Universität von Californien in San Diego. Robert Linhardt hofft nun, auch dank einer kräftigen Forschungsförderung durch die National Institutes of Health, dass innerhalb der nächsten fünf Jahre zum ersten Mal synthetisches Heparin in klinischen Studien getestet werden kann. (nbo)
