Innsbrucker Chemiker bauen künstliche Riboschalter. Und das weckt die Hoffnung auf neue Antibiotika. Ein Portrait von Carola Hanisch.RNA-Ingenieure am Werk<% image name="Micura" %><p>
<small> Ronald Micura: In der RNA-Synthese ist der Innsbrucker Forscher einzigartig. </small>
Die Ribonukleinsäure (RNA) ist ein faszinierendes Molekül: Wie die DNA kodiert sie genetische Information in der Abfolge der 4 Nuklein-Basen. Während sich bei der DNA aber zwei komplementäre Stränge zur berühmten Doppelhelix winden, kann die einsträngige RNA verschiedene Gestalten annehmen. Einige Basen verknüpfen sich mit Partnern desselben Strangs, so dass dieser Schlaufen bildet. Auf diese Weise wird die RNA verschlungen und gefaltet – wie ein langer Faden, der an manchen Stellen klebrig ist.
Früher sah man die Aufgabe der RNA hauptsächlich darin, als so genannte Boten-RNA den Gencode aus dem Zellkern zu den Proteinfabriken der Zelle zu transportieren. Dort, an den Ribosomen, werden Aminosäuren dem Code entsprechend in der richtigen Reihenfolge verknüpft. Seit kurzem weiß man aber, dass es darüber hinaus viele weitere RNA-Klassen gibt, die keine verschlüsselte Aminosäurebotschaft enthalten. Diese nicht kodierenden RNAs übernehmen – unter anderem dank ihrer 3D-Faltung – ganz ähnliche Aufgaben wie die ebenfalls vielgestaltigen Proteinenzyme, zum Beispiel die Genregulation.
<b>„RNA-Boom“.</b> Diese überraschenden Erkenntnisse führten in den letzten Jahren zu einem Boom der RNA-Forschung und zu einer großen Nachfrage nach künstlich hergestellten RNAs. Bei der RNA-Synthese gibt es allerdings eine grundsätzliche Schwierigkeit: Die RNA ist ein kurzlebiges Molekül, dessen Strang leicht bricht. Ronald Micura, Professor für Organische Chemie an der Leopold-Franzens-Uni und seine Mitarbeiter gehören zu den wenigen Chemikern, welche die Kunst beherrschen, RNAs von mehr als 100 Bausteinen Länge herzustellen und sie zudem gezielt chemisch zu modifizieren. Ihre Konstrukte sind bei Biologen und Medizinern für die verschiedensten RNA-Anwendungen begehrt.
Kein Wunder, bieten synthetisch hergestellte RNAs doch viele Vorteile: Sie sind wesentlich reiner als natürliche, denn die Produktionsmaschinerie des Lebens nimmt es nicht immer so genau. Zudem helfen die chemischen Modifikationen – so paradox es klingen mag –, die natürlichen Strukturen zu verstehen. So hat etwa Novartis-Preisträger Norbert Polacek vom Biozentrum Innsbruck ein von der Micura-Gruppe modifiziertes RNA-Stück in Ribosomen eingebaut. Auf diese Weise konnte er einzelne Atomgruppen im Ribosom gezielt „ausschalten“ und herausfinden, welche von ihnen an der Knüpfung der Peptidbindung entscheidend beteiligt sind, und welche nicht. Auch andere RNAs „made in Innsbruck“ sorgten in letzter Zeit für Aufsehen: So halfen Modifikationen mit Selen-Atomen, manches Kristallstruktur-Problem zu lösen, das jahrelang nicht zu knacken war.
Doch neben diesen vielfältigen Anwendungen und erfolgreichen Kooperationen verfolgen Micura und seine Mitarbeiter hauptsächlich ihren eigenen Forschungsschwerpunkt. Sie beschäftigen sich mit der Frage, wie das Kettenmolekül RNA seine komplexe 3D-Gestalt annimmt – und wie sich diese verändern lässt. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass RNA-Moleküle umfalten, also zwischen verschiedenen Strukturen wechseln können. Auf dieser Eigenschaft basieren die erst vor fünf Jahren entdeckten Riboschalter, mit denen Bakterien Gene an- und ausschalten können.
<b>Strukturwechsel.</b> Riboschalter steuern die Herstellung vieler Stoffwechselprodukte über einen Rückkopplungsmechanismus: Überschreitet deren Konzentration einen bestimmten Wert, wird die weitere Herstellung gebremst. Während diese Art der Regulation außer bei Bakterien auch bei Pflanzen und Pilzen vorkommt, wurde sie beim Menschen bisher nicht nachgewiesen. Das macht sie für die Pharma-Industrie interessant: Die Blockade von für Mikroben lebenswichtigen Riboschaltern könnte eine neue Klasse von Antibiotika erschließen – ohne die Vorgänge in menschlichen Zellen zu stören.
Ein Riboschalter ist ein Abschnitt am Anfang der Boten-RNA, der keinen Aminosäure-Code enthält, der aber ein ganz bestimmtes Molekül erkennen und an sich binden kann. Kaum ist der Ligand angekoppelt, faltet sich die RNA hinter der Bindungsstelle um. Geschieht dies bereits während der Herstellung der Boten-RNA, wird dieser Vorgang durch die plötzliche Umfaltung abgebrochen und die RNA wird gar nicht erst fertig gestellt. Bindet der Ligand erst später, führt die Strukturänderung der RNA dazu, dass diese nicht in ein Protein übersetzt werden kann. Beide Mechanismen sorgen dafür, dass das Gen, dessen Botschaft ja durch die RNA übertragen werden sollte, auf indirekte aber wirksame Weise stillgelegt wird. Da dieses Gen wiederum meist für die Produktion des Liganden nötig ist, entsteht eine Rückkopplung. Die Erforschung der Riboschalter wird im Rahmen des Verbundprojekts „nichtkodierende RNAs“ im Rahmen des österreichischen Genomprojekts GEN-AU gefördert.
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<small> Fluoreszenzmarkierte Riboschalter sollen helfen, die Boten-RNA besser zu verstehen und eventuell neue Antibiotika ermöglichen. </small>
<b>Die Kunst des Labellings.</b> Die Innsbrucker Chemiker versuchen dabei zunächst, die molekulare Funktionsweise der Riboschalter zu verstehen. Welche der Tausenden von Atomen sind an der Ligandenbindung beteiligt? Woher kommt die Triebkraft für die Strukturänderung? Wie und mit welcher Geschwindigkeit werden Bindungen geknüpft und gelöst? Um diese Fragen zu beantworten, hilft es, chemisch markierte Riboschalter für die Kristallstrukturanalyse, Fluoreszenzspektroskopie oder NMR-Spektroskopie herzustellen. Gezielt ausgewählte Molekülteile werden durch den Einbau künstlicher Marker-Atome sichtbar gemacht, wie ein Radfahrer im Dunkeln durch Leuchtstreifen an der Kleidung.
Die große Kunst des Labellings ist allerdings, die Struktur der RNA so wenig wie irgend möglich zu verändern. Besonders raffiniert ist daher das von Micuras Mitarbeiter Christoph Kreutz in Zusammenarbeit mit Robert Konrat von der Uni Wien entwickelte System zur Fluormarkierung am Ribose-Zucker. Das Anhängen voluminöser Atomgruppen an die RNA, beispielsweise großer Fluoreszenzfarbstoffe, kann die Struktur und Faltung der RNA beeinflussen. Daher haben die Wissenschaftler nur einzelne OH-Gruppen am Ribose-Zucker der RNA durch Fluoratome ausgetauscht – eine für ein großes Molekül fast unmerkliche Veränderung.
Sie bietet aber in der Kernresonanzspektroskopie entscheidende Vorteile. Das Resonanzsignal des Fluor-Atoms befindet sich an einer von den vielen überlappenden Signalen der Wasserstoffatome weit entfernten Stelle und kann völlig separat betrachtet werden. Zudem reagiert es sehr sensibel auf Veränderungen der chemischen Umgebung: Bildet oder löst sich eine Bindung in unmittelbarer Nähe des Fluor-Atoms, verschiebt sich der Peak. Geschieht dies in weiterer Entfernung, bleibt das Signal unverändert. Mit Hilfe des neuen Innsbrucker 600 MHz-NMR-Spektrometers lässt sich somit exakt herausfinden, welche Basenbausteine eines Riboschalters an der Ligandenbindung, und welche an der Umfaltung beteiligt sind.
<b>Liganden-Suche.</b> Zudem können die Wissenschaftler durch geschickte Fluormarkierung gezielt nach Liganden suchen. Dass dieses prinzipiell funktioniert, haben die Innsbrucker und Wiener Forscher bereits nachweisen können. Sie markierten einen Riboschalter, der lediglich dafür bekannt war, das Antibiotikum Tobramycin zu binden. Anschließend beobachteten sie im NMR-Spektrum, wie sich der mit Fluor markierte Riboschalter bei Zugabe verschiedener anderer Klassen von Aminoglykosiden verhält – und fanden einen bisher unbekannten, wenn auch schwächer bindenden Liganden: Streptomycin.
Dahinter steckt die Strategie, neuartige Antibiotika zu entwickeln, die anstelle des natürlichen Liganden an einen Riboschalter binden. Diese Bindung würde dem Bakterium vorgaukeln, dass eine genügend große Menge des Stoffwechselprodukts vorhanden ist, obwohl in Wahrheit ein Mangel besteht. Der – im Idealfall lebensnotwendige – Metabolit würde nicht mehr hergestellt, und das Bakterium ginge zugrunde.
Doch bevor es dazu kommen kann, ist noch viel Grundlagenforschung nötig – und dabei leisten die RNA-Ingenieure mit ihren künstlichen Riboschaltern wichtige Dienste.
Die <a href=http://www.omv.com>OMV</a> unterzeichnete mit der National Iranian Oil Company (NIOC) ein Heads of Agreement über mögliche Beteiligungen an der Entwicklung von Teilen des South Pars-Gasfelds im Persischen Golf, einer LNG-Verflüssigungsanlage sowie LNG-Bezugsverträgen. Konkrete Ergebnisse werden für die zweite Jahreshälfte erwartet.OMV forciert Iran-Geschäfte<% image name="Persischer_Golf" %><p>
Vor dem Hintergrund eines geplanten LNG-Regasifizierungsterminals in Kroatien, an dessen Entwicklung die OMV maßgeblich beteiligt ist, würde ein derartiges Projekt im Iran Sinn machen. Der LNG-Terminal in Kroatien soll 2011/2012 in Betrieb gehen, als eine mögliche Bezugsquelle bietet sich unter anderem der Iran mit seinen großen Gasreserven an.
Bereits im April 2001 unterzeichnete die OMV ein Abkommen mit der NIOC über Explorationstätigkeit in der Region Zagros, wo sich die Arbeiten auf ein 2.500 km2 großes Gebiet konzentrieren, den "Mehr Block". Die OMV operiert dabei als Betriebsführer eines Konsortiums, an dem Repsol YPF und Sipetrol (Chile) je 33 % halten. Die erste Explorationsbohrung wurde im Jänner 2005 erfolgreich abgeschlossen, im Februar 2007 wurde die Wirtschaftlichkeit des Feldes von der NIOC bestätigt. Nunmehr wird ein Plan für die Feldentwicklung erarbeitet.
<small> <b>Das iranische South Pars-Gasfeld</b> ist gemeinsam mit dem <b>North Field in Katar</b> das größte bekannte Gasfeld der Welt mit geschätzten Gasreserven von etwa 1.300 Trillionen Kubikfuß (221 Mrd boe), wobei rund 500 Trillionen Kubikfuß (85 Mrd boe) auf iranischer Seite liegen. Der Iran plant dieses Gasfeld in mehreren Phasen zu entwickeln. </small>