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Trendbericht zur ANALYTICA 2000 in München: Zeitenwende in der Proteinanalytik - vom Einzelprotein zum Proteom

München (ots) - Ein neuer Forschungszweig präsentiert sich auf der ANALYTICA 2000, der die Diagnostik und Behandlung von Krankheiten revolutionieren wird. Die Rede ist von der Proteomforschung - kurz Proteomics. Das grundsätzlich Neue ist, dass Wissenschaftler ihre Sicht auf die Zelle nicht länger auf einzelne Proteine beschränken müssen, sondern schon heute eine Momentaufnahme fast des kompletten Proteinbestandes der Zelle, des sogenannten Proteoms, machen können. Bei höheren Organismen sind dies immerhin rund 10.000 bis 20.000 verschiedene Eiweiße pro Zelle, in Kopienzahlen zwischen 10 und einer Million. Und jede Zelle hat - je nach Funktion - ein hochkomplexes, individuelles Proteinmuster. Dieses bestimmt direkt, was in ihr passiert. Denn die Proteine determinieren als Biokatalysatoren, Peptidhormone, Struktureiweiße, Transportschleusen etc. die unmittelbaren biologischen Funktionen der Zelle. Gerade dies macht den großen Reiz für die pharmazeutische Industrie aus. Die Proteinmuster kranker und gesunder Zellen unterscheiden sich und lassen sich durch einen sogenannten subtraktiven Vergleich der Proteome charakterisieren, bei dem die identischen Proteine einfach aus der Betrachtung fallen. Sind erst einmal die im Schnitt 1 bis 50 krankheitsrelevanten Proteine identifiziert, winkt ein milliardenschwerer Markt - einerseits durch die verbesserte molekulare Diagnostik anhand charakteristischer Proteine, andererseits durch das Aufspüren neuer Angriffspunkte für die Medikamententherapie. Optimistische Prognosen gehen mittelfristig von einer Verzehnfachung der derzeit gut 450 validierten Drug Targets aus. Grundlage der Proteomanalyse ist ein bereits 1975 entwickeltes Trennverfahren, die zweidimensionale Gelelektrophorese. Mehr als 10.000 Proteine lassen sich heute mit dieser Technik anhand ihres isoelektrischen Punktes und ihres Masse/Ladungsverhältnisses auftrennen. Doch erst die Entwicklung massenspektrometrischer Verfahren - zum Beispiel MALDI-TOF (Matrix-assisted Laser-Desorptions/Ionisations-Massenspektrometrie - Time of Flight) und ESI-MS (Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie - ermöglicht zusammen mit neuen bioinformatischen Methoden seit rund drei Jahren die direkte Identifizierung der Proteine anhand der massenspektroskopischen Daten. Die Proteinauftrennung erfolgt bei der zweidimensionalen Gelelektrophorese zunächst in einem pH-Gradienten, danach durch eine dazu um 90° versetzte SDS-Gelelektrophorese. Sogenannte im Gel immobilisierte Gradienten erlauben heute eine Auftrennung von Proteinen in einem pH-Bereich zwischen 2 und 12 sowie von Molekulargewichten zwischen 5 und mehreren 100 kDa. Die massenspektrometrischen Verfahren ermöglichen eine (semi)quantitative Bestimmung im Bereich einiger billionstel Mol mit einer Genauigkeit von einigen ppm. Resultat ist ein Datensatz, aus dem sich die Massen der zuvor im Massenspektrometer erzeugten Proteinbruchstücke errechnen lassen. Durch Vergleich dieser Daten mit Informationen aus Proteindatenbanken, in denen sich Proteine virtuell in Bruchstücke zerlegen lassen, ist eine Identifizierung bekannter Proteine in der Regel möglich. Unbegrenzte Anwendungsmöglichkeiten Bis 1995 war die vergleichende Proteinmusteranalyse mit Hilfe der zweidimensionalen Gelelektrophorese das Tätigkeitsfeld einer kleinen Gruppe von Wissenschaftlern, die sogenannte Peptidkarten erstellten. Mit der Weiterentwicklung massenspektrometrischer Techniken und bioinformatischer Hilfsmittel wurde schließlich die unterdessen teilautomatisierte Identifizierung von Proteinen mit hohem Durchsatz möglich. Heute kann man angesichts der schier unbegrenzten Einsatzpotentiale der Proteomics von einer Aufbruchstimmung in den Life Sciences sprechen - einige Beispiele: Die Ausbeute von Fermentationsprozessen wird sich künftig einerseits über die Proteom-basierte Optimierung der Prozeß- und Medienparameter verbessern lassen. Zum anderen lassen sich durch gezielte gentechnische Eingriffe Engpässe des Stoffwechsels der Produktionsstämme beseitigen (Metabolic Engineering). Die Optimierung wird sich direkt anhand der Bildung produktionsbegünstigender Proteine bzw. Proteinmuster verfolgen lassen. Ein Anwendungsfeld mit immenser wirtschaftlicher Bedeutung: Bei nahezu allen großtechnischen Fermentationsprozessen rechnet sich eine Ausbeutesteigerung von nur 0,1 % in sechs- bis siebenstelligen US$-Beträgen. Ein zweiter Anwendungsbereich liegt in der gezielten Suche nach technischen Enzymen (Weltmarkt rund 1 Mrd. US$). Dabei macht man sich zunutze, daß ein gewünschtes Produkt bei einer Biotransformation nur dann gebildet wird, wenn die dazu erforderlichen Enzyme in ausreichender Menge vorliegen. Durch Proteinmustervergleich lassen sich mittels sogenannter densitometrischer Verfahren leicht die Konzentrationunterschiede an Enzymen unter Produktions- und Nichtproduktionsbedingungen identifizieren. Auf gleichem Wege kann die vergleichende Proteomanalyse zur Charakterisierung der Wirkmechanismen von Pharmaka, Pflanzenschutzmitteln oder Toxinen sowie zum Aufspüren neuer pharmakologischer Targets und diagnostischer Marker genutzt werden. Auch können unerwünschte Produkte bei der Herstellung rekombinanter Proteine frühzeitig und in kleinsten Mengen identifiziert werden. Kontaminationen und damit wertlose Wirkstoffchargen lassen sich mit dieser Art der Qualitätskontrolle wirksam vermeiden. Neue Unternehmen: Handel ohne Produkte, sondern mit Informationen Das Produkt aller Proteomicsanbieter heißt Information. Dieses verkauft sich besonders gut an Pharmaunternehmen, die immense Anstrengungen anstellen, sogenannte "proprietary and validated targets" zu erhalten. Das sind molekulare Wirkorte, die nachweislich mit einem bestimmten Krankheitsbild zusammenhängen und einem Unternehmen exklusiv zur Verfügung stehen. Wegen der langen Entwicklungs- und Zulassungszeiten neuer Medikamente bieten "proprietary and validated targets" den Pharmaunternehmen mehrere strategische Vorteile: Die Exklusivität der Information schließt konkurrierende Produktentwicklungen weitgehend aus und erleichtert damit die Patentierung und die Alleinstellung eines neuen Ansatzes am Markt. Der mit Abstand lukrativste Markt für die in Deutschland noch jungen Proteomicsunternehmen ist das Auffinden neuer Wirkorte und -mechanismen in der Arzneimittelentwicklung, dicht gefolgt vom Pflanzenschutzgeschäft. In den USA gründeten sich die ersten Proteomics-Unternehmen bereits in den achtziger Jahren. Als Pionier der Szene startete 1984 die Large Scale Biology Corp. (Rockville), die sich zunächst mit der Optimierung der zweidimensionalen Geleelektrophorese und von Automatisierungsmöglichkeiten befaßte. Seit einigen Jahren wird ein Software- und Datenbankpaket zur Proteomanalyse entwickelt. Die ein Jahr später ins Leben gerufene Proteom Inc. (Beverly) hat mit der "Yeast Proteom Database" bereits seit knapp vier Jahren ein Produkt am Markt. Mitte der neunziger Jahre, im Zuge der stark verbesserten technischen Möglichkeiten zur Proteomanalyse, gründeten sich auch in Deutschland eine Handvoll Firmen, wie etwa Prot@gen, Toplab, Xerion oder BioVision, meist aus Universitäten heraus. Daneben haben viele forschende Pharmaunternehmen eigene Proteomicsabteilungen eingerichtet. Startschwierigkeiten und Perspektiven Obgleich das Potential der Proteomics gigantisch erscheint, darf nicht vergessen werden, daß diese Technologie noch sehr jung ist. Dementsprechend gibt es eine Reihe technischer Probleme, die allzu euphorische Einschätzungen zunächst dämpfen: Derzeit lassen sich zum Beispiel nicht alle Zellproteine auftrennen. Sehr kleine und sehr saure bzw. basische Proteine können heute noch nicht mit der zweidimensionalen Gelelektrophorese erfaßt werden. Weitere Probleme bereiten die unterschiedliche Löslichkeit und die stark variierenden Proteinmengen. Daher ist es schwierig, derzeit mehr als 50 bis 60 % eines Proteoms auf einem einzelnen Gel abzubilden. Zudem lassen sich nur etwa 30 bis 70 % der massenspektrometrisch bestimmten Proteinfragmente den in Proteindatenbanken gefundenen Daten zuordnen. Grund sind wahrscheinlich Oxidationen, Fehler in den Datenbanken oder Proteinmodifikationen. Des weiteren sind der Personal- und der Kostenaufwand noch sehr hoch und die Weiterentwicklung von Automatisierungsstrategien daher von großer Bedeutung. Der klassische Proteomics- Ansatz bereitet, auch bei Weiterentwicklung und Verfeinerung der Technologie, grundsätzlich Schwierigkeiten bei der Trennung der pharmarelevanten Membranproteine und niedrig konzentrierter Eiweisse. Aus diesem Grund gibt es auch völlig neue Ansätze, das Proteom zu untersuchen. Ein von dem Magdeburger Unternehmen und Biochance-Gewinner Meltec entwickeltes und international zum Patent angemeldetes Verfahren zur optischen Mustererkennung detektiert zum Beispiel Art und Anordnung von Proteinen auf Zelloberflächen. Durch subtraktiven Vergleich der Proteinmuster sollen auch hier krankheitsrelevante Proteine ausgemacht werden. Ein erster potentieller Wirkstoff gegen eine abnorm differenzierte Zellform bei der Amyotrophischen Lateralsklerose durchläuft bereits derzeit die präklinischen Tests. Proteinchips sind der neueste Ansatz, der verspricht, Proteomansätze gleichermaßen zu automatisieren wie auch zu miniaturisieren. Weltweit gibt es nur wenige Unternehmen, die diesen ambitionierten Ansatz verfolgen. Die US-amerikanische Ciphergen sowie die gerade aus dem Berliner Max-Planck-Institut für molekulare Genetik ausgegründete Firma InProTech, die sich im Rahmen der Analytica-Conference 2000 in München vorstellen wird. ots Originaltext: Messe München GmbH Im Internet recherchierbar: http://recherche.newsaktuell.de Ansprechpartner für die Presse: Dr. Rudolf Huber Pressereferat ANALYTICA 2000 Tel. 089 - 949 20670 Fax 089 - 949 20679 Email: huberr@messe-muenchen.de Original-Content von: Messe München GmbH, übermittelt durch news aktuell

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