Das Karriereportal für Wissenschaft & Forschung von In Kooperation mit DIE ZEIT Forschung und Lehre

Der Bausatz des Lebens

Von Ulrich Bahnsen

Die "Human Proteom Initiative": Forscher sammeln alle Eiweiße des menschlichen Körpers.

Der Bausatz des Lebens: Forschung© AzaToth - Wikimedia CommonsDarstellung der 3D-Struktur des Proteins Myoglobin
Amos Bairoch sitzt im Mittelpunkt der Welt, im Zentrum eines globalen Spinnennetzes. Die Fäden bestehen aus Internetverbindungen, die Tera bytes an neuen Daten in Richtung Genf pumpen. In der Stadt am See residiert Swiss-Prot, eine gewaltige biologische Datenbank. In Bairochs Speichern fließen alle Informationen zusammen, die Wissenschaftler über die Proteine der Lebewesen dieser Welt gewonnen haben. Zugleich ist Swiss-Prot das Hirn der Human Proteom Initiative. Ihr Ziel ist ein Gesamtkatalog aller Eiweiße des menschlichen Körpers - des menschlichen Proteoms. Sollte das gigantische Unterfangen erfolgreich sein, stünde Biowissenschaftlern, Pharmaforschern und Medizinern eine unschätzbar wertvolle Ressource zu Diensten. Erstmals könnte man dann Schritt für Schritt nachvollziehen, wie »die Blaupause der Gene zu Leben wird«, schwärmte das Fachblatt Science.

Dienen die Gene gleichsam als Fertigungsvorschrift für den Organismus wie der Konstruktionsplan des Architekten bei der Errichtung eines Gebäudes, sind Proteine die Ziegelsteine, der Mörtel und die Stahlträger, aus denen das Haus in Wahrheit besteht.

Erst die komplexe Choreografie der Eiweißmoleküle - Enzyme, Botenstoffe, Rezeptoren und Strukturproteine - entscheidet über Physis, Psyche, Gesundheit und Krankheit. Vor allem den Fortschritt der Medizin dürfte so ein Erfolg beflügeln: Bei Krebs, Alzheimer, Diabetes oder chronischen Entzündungsleiden liegt das Krankheitsgeschehen noch immer weitgehend im Dunkeln. »Klinische Proteomik «, verspricht der Swiss-Prot-Chef Bairoch, »wird für die Diagnostik sehr wertvoll sein. Wir können dann Biomarker für Krankheiten auf einem Chip testen - das wird wundervoll.«

In der kommenden Woche, beim internationalen Proteomic Forum in Berlin, treffen sich die Leistungsträger der Zunft zur Bestandsaufnahme. Sie haben viel zu besprechen - ihre Disziplin ist in allen Bereichen der Biowissenschaften in einem rasanten Vormarsch begriffen. Im Eiltempo wird in den Labors weltweit die Mechanik des Lebens erkundet - vom Reich der Mikroben über die Welt der Pflanzen bis hin zum Homo sapiens. Vor allem die Zellmaschinerie des Menschen gilt als vorrangiges Ziel. Gegenwärtig haben Bairochs Informatiker die Biodaten von rund 20 300 humanen Eiweißen gehortet; dazu kommen fast 14 000 sogenannte Iso-Formen. Sie entstehen, weil die allermeisten der knapp 21 000 menschlichen Gene in einzelne Module unterteilt sind, die miteinander kombiniert werden können (siehe Grafik auf Seite 36). »Jedes Gen kann eine bis mehrere Hundert Iso-Formen eines Proteins herstellen«, sagt Bairoch, das Humanproteom könne daher ohne Weiteres mehr als hunderttausend Eiweiße umfassen.

Welche Eiweiße kommen in welchen Geweben vor - und in welcher Menge?


Es ist indessen nicht gerade eine neue Idee, die Fülle der humanen Proteine zu erkunden. Schon zu Beginn dieses Jahrzehnts wurde das Projekt aus der Taufe gehoben. Das Vorhaben schien folgerichtig: Das menschliche Erbgut hatten die Genetiker 2001 bereits entziffert - der Konstruktionsplan für den menschlichen Organismus lag vor, nun sollten die eigentlichen Bauteile, die Eiweiße, folgen.

Seitdem haben die Labors weltweit fleißig Proteine untersucht, die Abfolge der Aminosäuren bestimmt, aus denen sie aufgebaut sind, die Komposition der Zelleiweiße in verschiedenen Organen und Geweben erkundet. Doch schnell wurde offenbar, dass es sich dabei um ein monströses Vorhaben handelt. Vor den Forschern türmten sich offene Fragen zuhauf: Welche Eiweiße kommen in welchen der 200 menschlichen Zelltypen vor? In welchen Mengen - und welche Funktion haben sie? Gigabytes an Daten flossen damals in die Swiss- Prot-Speicher. Das meiste davon war unbrauchbar. »Vorwiegend Schrott« sei von den Proteinlabors angeliefert worden, lautete die Diagnose in Science. Angesichts des Desasters drohte das ganze Feld in Verruf zu geraten. Tatsächlich hatten die Forscher die Erkundung zur Unzeit gestartet. Die Verfahren, vor allem Massenspektrometrie und Bioinformatik, hatten 2001 längst nicht die nötige Raffinesse für das ambitionierte Unterfangen erreicht. »Die Technologie war einfach nicht gut genug«, sagt Bairoch. »Schlechte Programme und zweifelhafte Daten - das gibt Probleme.« Matthias Mann, einer der weltweit führenden Proteomforscher, mag das Urteil nicht bestreiten. In der Proteomforschung brauche man sehr verlässliche Daten, sagt der Direktor am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried. »Wenn die Hälfte nicht stimmt, ist das schlimmer, als wenn man gar nichts weiß.« Doch inzwischen ist alles anders. Die Proteomik feiert Erfolge. Die sind in erster Linie das Ergebnis einer stürmischen Entwicklung der Labortechnik, und die stammt vor allem aus deutschen Labors. »Wir haben genauso schnelle techno logische Sprünge gemacht wie die Genomforschung«, versichert Mann.

Deshalb lädt der Chef der Abteilung für Proteomik und Signaltransduktion als Erstes zum Rundgang durch seinen Maschinenpark. Sichtlich zufrieden steht der hochgewachsene Forscher mit dem akkurat gestutzten ergrauten Bart - »noch unter 50« - zwischen den Massenspektrometern. Graue Kästen, leise summend, sie sind das Beste, was derzeit auf dem Markt zu haben ist für die Kunst der Proteindechiffrierung. Rund vier Millionen Euro hat das Institut für die acht Geräte ausgegeben, »die größte Sequenzierkapazität in der Welt«, sagt Mann. »In der hochauflösenden Massenspektrometrie hat es einen Durchbruch gegeben. Jedes einzelne unserer Geräte kann so viel messen wie zehn andere vor ein paar Jahren.« Die Maschinen laufen rund um die Uhr, sieben Tage in der Woche. Trotzdem gebe es immer Gerangel um die Messzeit. Die Entschlüsselung eines Proteins ist eine komplizierte Angelegenheit, denn diese Biomoleküle sind weitaus komplexer aufgebaut als etwa ein Gen im Erbgut. Sie bestehen aus einer oft Hunderte von Bausteinen langen Kette aus Aminosäuren, deren Abfolge in dem zuständigen Gen festgelegt ist. Seine Funktion kann ein neu hergestelltes Protein in der Zelle indessen erst erfüllen, nachdem sich das Molekül in eine räumliche Struktur gefaltet hat, deren Aussehen von der Reihenfolge der Aminosäuren bestimmt wird.

Das Lesen der Aminosäurenabfolge in den Eiweißen übernehmen die Massenspektrometer in Manns Labors. Die Proteine werden durch ein Enzym in viele Bruchstücke aufgespalten, die Fragmente nach ihrem Molekülgewicht aufgetrennt. Durch Abgleich mit den Datenbanken bestimmen die Rechner dann die Sequenz der Bruchstücke und setzen die gesamte Aminosäurenabfolge wieder zusammen - das Protein ist entziffert. Da sich zu jedem Protein auch ein Gen im Erbgut finden lässt, können die Forscher ihr Ergebnis leicht überprüfen - die gelesene Sequenz im Eiweiß muss sich irgendwo im genetischen Bauplan wiederfinden.

Wissenschaftler haben jetzt die gesamte Maschinerie der Zelle im Blick

Während früher jedes zu lesende Eiweiß zuvor mühsam biochemisch gereinigt werden musste, können die Forscher inzwischen dank hochsen sibler Technik und leistungsfähiger Software praktisch das gesamte Proteinrepertoire eines Gewebes gleichzeitig in den Blick nehmen. »Wir sehen das ganze System einer Zelle auf einmal«, sagt Mann. Erst kürzlich gelang seinem Labor in Martinsried ein beeindruckendes Exempel für die Scharfsicht des Verfahrens: In einem einzigen Durchgang konnten die Wissenschaftler 4400 Eiweiße aus Hefezellen identifizieren. Die Zahl passt nicht schlecht: Die Einzeller besitzen etwas über 4000 aktive Gene; und anders als bei höheren Tieren gilt bei ihnen die »Ein Gen macht ein Protein«-Regel noch weitgehend. Sie können nur in Ausnahmefällen mehrere Eiweiße durch Modulkombination (siehe Grafik) herstellen, die etwa dem Menschen zu einer weit größeren Eiweißvielfalt verhilft, als die Zahl seiner Gene verspricht. Auch eine weitere notorische Schwäche früherer Forschungen scheint nun weitgehend behoben. Weil manche Proteine in Zellen sehr zahlreich vorkommen, gingen den Massenspektrometern viele der sehr seltenen Eiweißspezies durch die Lappen. Ein Milliliter Blut enthält gerade ein Pico gramm einer Gruppe von Signalmolekülen, aber zugleich die zehnmilliardenfache Menge des Bluteiweißes Albumin. Doch inzwischen detektieren die Geräte selbst rare Eiweißexemplare - weniger als 100 Moleküle pro Zelle - ebenso zuverlässig wie solche, die millionenfach in den Zellen schwimmen.

Ein besonderes Kabinettstück haben die Zürcher Proteinforscher Michael Hengartner und Rue di Aebersold mit ihren Kollegen gerade im Fach blatt PLoS Biology abgeliefert. Nahezu 12 000 Eiweiße des Fadenwurms Caenorhabditis elegans analysierten die Schweizer Forscher, rund die Hälfte des Gesamtrepertoires, und bestimmten dabei sogar die jeweiligen Mengen der Proteine. Eine Gegenüberstellung mit den gleichartigen Eiweißen in der Fruchtfliege ergab: Obwohl beide Organismen rund 600 Millionen Jahre Evolution trennen, waren die Mengen, die von einem großen Teil der Eiweiße gebildet wurden, nahezu gleich groß. Ein klarer Hinweis, dass die Dosis der Proteine in den Zellen ebenso wichtig ist wie ihr Aufbau. Aus diesem Grund liegt eine weitere Aufgabe vor den Proteomexperten: Sie müssen künftig nicht nur den Aufbau, sondern auch die Molekülzahl der Zelleiweiße ermitteln.

All das gelingt in den Labors erst seit Kurzem. Doch inzwischen erheben die Proteomforscher Befunde, die der genetische Code nur indirekt, oft unzuverlässig oder gar nicht liefert: Welche der knapp 21 000 Gene des Menschen sind in einem Zelltyp, einem Gewebe oder Organ tatsächlich aktiv und steuern die Synthese der entsprechenden Eiweiße in den Zellen? Und in welcher Stückzahl? Das wären wichtige Informationen, denn schließlich bestimmt das Proteinarsenal in einer Zelle deren Eigenschaften. »Bei Tumoren sind viele Gene verändert«, sagt Mann, »aber nur relativ wenige Gendefekte führen zu Veränderungen im Proteom dieser Zellen, und genau die machen den Krebs.«

Allerdings hat die von Manns Geräten ausgelesene Abfolge der Aminosäuren in den Proteinen eine weitere Eigenschaft, und die macht das Geschäft der Proteomexperten erst recht vertrackt. Um einen energetisch günstigen Zustand zu erreichen, falten sich Eiweiße in verwickelte dreidimensionale Strukturen. Erst in der richtigen Faltung erfüllen sie ihre Aufgabe im Zellgeschehen. Doch welchen Regeln dieser für alles Leben unentbehrliche Mechanismus der Moleküldynamik genau gehorcht, ist bis heute ein Rätsel. »Wir sind nicht besonders dumm, doch niemand kann das berechnen«, sagt Andrei Lupas. »Ich habe es 14 Jahre lang versucht, dann habe ich aufgegeben.«

Lupas, 45, Direktor der Abteilung für Pro teinevo lu tion am Tübinger Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, ist da in bester Gesellschaft. Schon vor Jahren hatte man bei IBM mit dem Bau des rechenstärksten Supercomputers begonnen, um das Problem zu lösen: »Blue Gene« sollte, gefüttert mit der Aminosäurensequenz von Eiweißen, deren Molekülgestalt berechnen. Doch der Großrechner scheiterte. Auch dem Rosetta-Projekt des US-Forschers David Barker blieb der Erfolg am Ende verwehrt. »Barker hat erst einige erstaunliche Erfolge erzielt, dann war Schluss«, sagt Lupas. »Man sieht keinen Fortschritt, das ist sehr ernüchternd. Wir haben die Biophysik der Proteinfaltung nicht kapiert.« Abhilfe könnte nun »Anton« schaffen, ein neuer Großrechner für molekulardynamische Simulationen. Die Maschine, entwickelt unter der Leitung des milliardenschweren IT-Unternehmers David Shaw und benannt nach dem Mikrobiologie- Pionier Antoni van Leeuwenhoek, soll seine Vorgänger um das Tausendfache an Rechenkraft übertreffen. Zum Jahresende ist die Inbetriebnahme geplant.

Anton steht vor einer gewaltigen Herausforderung. Es geht um minimale Energiedifferenzen bei der Umformung eines ungefalteten Proteins in seine passende dreidimensionale Gestalt. Ein Mol eines Eiweißes, das entspricht 602 Trilliarden Molekülen, gewinnt durch die korrekte Faltung nur ein paar Kilokalorien - eine verschwindend geringe Energiemenge. Aus diesem Grund verfehlen auch die Zellen des Körpers öfters ihr Ziel. Viele neu gebildete Proteinmoleküle gewinnen nie die für ihre Aufgabe erforderliche dreidimensionale Form und müssen abgebaut werden. Haben sie die falsche Gestalt, kann es sogar gefährlich werden: Prione, die Erreger des Rinderwahnsinns, werden dabei zu tödlichen Krankheitserregern. Auch für die Natur sei das Problem offenbar extrem kompliziert, sagt Lupas: »Ich glaube, sie hat es auch nur einmal lösen können - am Ursprung der Evolution.« Will man wissen, wie das Leben diese Großtat vollbringt, wie ein Protein wirklich aussieht und wie es arbeitet, muss man in Kristalle schauen. »Da ist das Hotel«, sagt Kornelius Zeth. Der Leiter der Forschungsgruppe Strukturbiologie steht in einem der Labors im Tübinger Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie und zeigt auf einen kühlschrankgroßen Schrank mit Glastür. Das Hotel beherbergt Hunderte von Mikrotiterplatten - Kunststoffträger mit winzigen Vertiefungen. In den Vertiefungen schwimmen Eiweißmoleküle in verschiedenen Salzlösungen und wachsen zu Kristallen zusammen. Die Untersuchung von Proteinkristallen ist bisher die einzige Möglichkeit, mit der die Forscher die Molekülform von Eiweißen ermitteln können. Beschießt man die Kristalle mit Röntgenstrahlung, so lenken sie die Strahlen in charakteristischer Weise ab - es entsteht ein sogenanntes Dif fraktions mus ter. Daraus kann dann die räumliche Form des Moleküls präzise berechnet werden, im Idealfall bis zur Position jedes einzelnen Atoms. Leider kann niemand vorhersagen, unter welchen Bedingungen die Eiweiße Kristalle bilden. Die Art der Salzlösung, in der sie schwimmen, die Konzentration dieser Salze und der Eiweiße selbst, Temperatur, Luftfeuchtigkeit - eine Vielzahl von Faktoren bestimmt, ob sich die begehrten Bio- Kleinode bilden. Jede Erschütterung ist Gift. Früher war Proteinkristallisierung daher keine Wissenschaft, sondern ein Kunsthandwerk, bei dem es auf Intuition ankam. Heute ist die Kristallzucht immer noch keine Wissenschaft, aber die Kunst ist automatisiert. In der Tübinger Protein Crystallization Unit werden Eiweiße am Fließband verarbeitet. »Wir kristallisieren hier jedes Protein zugleich unter 1200 verschiedenen Bedingungen«, sagt Zeth. Ein computergesteuerter Roboter pipettiert die verschiedenen Versuchslösungen in den Vertiefungen der Mikrotiterplatten zusammen, dann wandern die Versuche in den klimatisierten Schrank. »90 Prozent der Eiweiße bilden innerhalb eines Tages Kristalle«, versichert der Wissenschaftler. Doch es gebe auch Problemfälle, »da kann es dauern«.

Ein automatisches Mikroskop kontrolliert regelmäßig das Wachstum der Kristalle und wirft die Bilder auf den Monitor nebenan. Gerade prangt auf dem Bildschirm ein vielflächiges leicht gelbliches Objekt, das aussieht wie ein seltsam geschliffener Edelstein. Ein weiterer Menschenbaustein, dem die Röntgenstrahlen bald sein Geheimnis entlocken werden. Und ein weiterer Datenstrom im Internet, der nach Genf saust, um in den Archiven von Amos Bairochs Swiss-Prot zu landen. Der hatte die Datenbank 1986 noch als junger Informatiker während seiner Doktorarbeit gegründet.

Nun sitzt er in seinem Büro und grübelt über die gewaltige Aufgabe nach, das Menschenproteom zu ergründen. »Eigentlich«, sagt er, »müssten wir in jede einzelne Zelle des Körpers gucken. Deshalb werden wir nie sagen können: Nun haben wir es geschafft.«

Aus DIE ZEIT :: 26.03.2009

Ausgewählte Artikel
Ausgewählte Stellenangebote