Molekulare Erkennung

  Katalyse, Regulation und Signaltransduktion stellen fundamentale biologische Prozesse dar. Die Präzision dieser grundlegenden Vorgänge ist in der Regel das Ergebnis einer hochspezifischen molekularen Wechselwirkung zwischen zwei oder mehreren Molekülen. So beruht beispielsweise unser Immunsystem auf derartigen molekularen Erkennungsprozessen. Interessanterweise spielen molekulare Erkennungsprozesse nicht nur in der makromolekularen Welt der Proteine und Nucleinsäuren eine Rolle, sondern durchaus auch im niedermolekularen Bereich. So weist das Antibiotikum Vancomycin einen einzigartigen Wirkmechanismus auf, dergestalt dass es nicht mit Proteinen oder DNA wechselwirkt sondern sequenzselektiv eine Dipeptideinheit erkennt, die für die Quervernetzung der bakteriellen Zellwand unerlässlich ist. Das Vancomycin bildet mit der Dipeptid-Einheit D-Ala-D-Ala einen supramolekularen Komplex, der den Zugriff des in der Biosynthese nachfolgenden Enzyms unmöglich macht.

Antikörper-Antigen - Komplex	Vancomycin - D-Ala-D-Ala-Komplex

  Das Studium dieser nicht-kovalenten Wechselwirkungen stellt eine der zentralen Herausforderungen der aktuellen bioorganischen Forschung dar. Im Zentrum des Interesses stehen hierbei insbesondere Wechselwirkungen von Proteinen mit Peptiden oder kleinen Molekülen, da ein fehlerhafter Erkennungsprozess in diesem Bereich eine häufige Ursache schwerer Krankheiten darstellt.

   Artifizielle Rezeptorsysteme, die in der Lage sind, sequenzselektiv an ein bestimmtes Peptid zu binden, können zu einem besseren Verständnis von Peptid-Peptid Wechselwirkungen auf molekularer Ebene beitragen. Im Unterschied zu natürlichen Protein-Rezeptoren sind bioorganische Modellrezeptoren kleine Moleküle, die breit variiert werden können. Die Herausforderung an das Design eines artifiziellen Peptid-Rezeptors besteht darin, die strukturellen Eigenschaften einer vorgegebenen peptidischen Struktur in ein nicht-peptidisches Rezeptor-Molekül mit komplementärer Bindestelle zu überführen.

  Als Target für unsere eigenen Arbeiten auf dem Gebiet der molekularen Erkennung haben wir die sogenannten Ras-Proteine ausgewählt. Ras-Proteine stellen eine Superfamilie von 20-25 kDa großen Proteinen dar, deren gemeinsame Eigenschaft die Bindung von GTP ist. Ras-Proteine regeln eine Vielzahl zellulärer Prozesse, sowohl als Transportfaktoren wie auch als Signalproteine. Im letzteren Fall stellen die Ras-Proteine wichtige Schalter in der Zelldifferenzierung, im Zellcyclus und der Apoptose dar. Eine Fehlfunktion von Ras-Proteinen kann zu dramatischen Konsequenzen in der Zelle führen. So wird angenommen, dass mindestens 30% aller menschlichen Tumore eine Ras-Fehlsteuerung aufweisen. Ras-Proteine stellen somit hochrelevante Targets für die Entwicklung neuer Antitumorwirkstoffe dar.

  Ras-Proteine werden als biologisch inaktive cytosolische Vorstufen synthetisiert. Erst nach Farnesylierung und Einbettung in die Plasmamembran werden die Proteine aktiviert. Die Farnesylierung erfolgt an einem Cystein der C-terminalen CaaX-Box (C = Cystein, a = aliphatische Aminosäure, X = Methionin, Serin). Die Farnesyltransferase erkennt das Ras-Protein an dieser Sequenz und führt die Farnesylierung entsprechend durch.

  Wir wollen die Ras-Proteine dadurch blockieren, dass wir nicht klassisch die in der Biosynthesekette nachfolgende Farnesyltransferase hemmen, sondern diesem Enzym den Zugang zum Substrat verwehren, indem die CaaX Box durch einen synthetischen Rezeptor maskiert wird. Hierfür werden große kombinatorische Bibliotheken festphasengebundener, potentieller Rezeptoren nach dem "Split and Combine"-Verfahren erzeugt. Die gesamte Bibliothek wird in einem weiteren Schritt dann mit dem farbstoffmarkierten CaaX - Peptid inkubiert. Bindende Rezeptoren führen zu einer Verfärbung des Trägermaterials und können so leicht identifiziert werden. Auf diesem Wege identifizierte Rezeptoren werden in einer Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie in Dortmund physikochemisch charakterisiert und auf Ihre Bindung an Ras-Proteine eingehend untersucht.

Literatur:
C. Schmuck, Chemie in unserer Zeit 2001, 35, 356-366.
C. Schmuck, Org. Biomol. Chem. 2003, 1, 633.
A. Wittinghofer, H. Waldmann, Angew. Chem. 2000, 112, 4360.
D.L. Dong, Chem&Biol. 1999, 6, 133.