• Die Protein-Ingenieure

    Interdisziplinäre Bayer-Teams beschleunigen die Life-Science-Forschung

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    Hightech im Hochdurchsatz: Bei der Entwicklung therapeutischer Antikörper nutzt Dr. Wayne Coco die Hilfe einer vollautomatischen Roboteranlage. Roboter bedienen hier unabhängig voneinander Inkubatoren, Pipettierer und Detektionssysteme.

In interdisziplinären Teams suchen Bayer-Wissenschaftler nach neuen Angriffszielen für Wirkstoffe oder Diagnosemöglichkeiten. Durch die Synergien aus Medizin- und Pflanzenforschung ergeben sich völlig neue Ansätze: vom Design therapeutischer Antikörper bis zur verbesserten Produktion neuer Pflanzenschutzmittel. Ein Schlüssel zum Erfolg sind hocheffektive Eiweißmoleküle – konstruiert von Protein-Ingenieuren in den Bayer-Laboren.

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  • Herausforderung:
    Hocheffektive Eiweißmoleküle spielen sowohl in der Medizin als auch in der Pflanzenforschung eine wichtige Rolle – nicht nur im Körper, sondern auch als Reaktionshelfer in der chemischen Großproduktion.
  • Lösung:
    Um die Talente der Proteinforscher innerhalb der Bayer-Welt effizienter zu nutzen, wurde die Nimbus-Initiative ins Leben gerufen. Dabei arbeiten interdisziplinäre Teams aus allen Teilkonzernen fächerübergreifend zusammen.
  • Nutzen:
    Nicht nur der Wissenstransfer wächst konzernübergreifend, sondern auch die schnelle Entwicklung verbesserter Entwicklungskandidaten, die aus gemeinsamen Projekten entstehen. Das verkürzt die Entwicklungszyklen, um bessere Produkte zu entwickeln und letztlich profitieren Ärzte und Patienten, Landwirte und Verbraucher.       

Die biologischen Werkzeuge sind zwar klein, aber unverzichtbar: Enzyme. Die Eiweißbausteine halten Atmung, Stoffwechsel und Immunsystem am Laufen – und Menschen, Tiere und Pflanzen überhaupt erst am Leben. Die sogenannten Biokatalysatoren gleichen Arbeitstieren im Molekülformat – und spielen eine zentrale Rolle in jeder einzelnen Zelle. Sie sind der Grund dafür, dass spezielle chemische Reaktionspfade überhaupt erst eingeschlagen werden: Enzyme schaffen es, nur bestimmte Bindungen in Molekülen zu öffnen und neue zu knüpfen – und das besonders effektiv. Auf mehr als 10.000 wird die Zahl der natürlich vorkommenden Enzyme geschätzt.

Zu Besuch bei den Protein-Ingenieuren

Qualität der Biotechnologie-Forschung verbessern

„Längst haben Biotechnologen in diesem unglaublichen Fundus an Enzymen zahlreiche Chemietalente entdeckt, die sie bereits als Miniaturwerkzeuge für ihre Zwecke nutzen und optimieren“, sagt Dr. Wayne Coco, Leiter des Bereichs Protein Engineering bei ­Bayer HealthCare in Köln. Und das Arbeitsspektrum der fleißigen Eiweißmoleküle ist enorm: Die Proteine sind nicht nur wertvolle Helfer im Körper, sondern dienen auch als Reaktionshelfer in der chemischen Großproduktion.

Dr. Mark James Ford

Die Talente von Enzymen nutzen wir jetzt konzernübergreifend.

Das Know-how und die Technologien um die biologischen Miniaturwerkzeuge sollen weiter wachsen – und das künftig noch effizienter. Dazu hat Bayer eigens die zwei Nimbus-Projekte „Biotransformationen“ und „Protein Engineering“ gestartet. Unter dem Projektnamen Nimbus vernetzen sich Abteilungen verschiedener Teilkonzerne im Bereich Life Sciences eng miteinander und tauschen ihr Wissen aus. Dadurch sollen gezielt Synergien genutzt werden, um Ansätze für neue Wirkstoffe und deren Produktion zu finden.

Strategie gegen Tumore

Antikörper sind ein wichtiger Teil der natürlichen Immunabwehr. Die Eigenschaft dieser Proteine, bestimmte Zellmerkmale zu erkennen, nutzen Bayer-Forscher, um Krebszellen zu finden und zu zerstören. Antikörper werden beispielsweise dazu genutzt, gezielt wichtige Stoffwechselsignale zu blockieren, die für das Wachstum oder das Überleben von Krebszellen entscheidend sind.

Auf mehr als

10.000

wird die Anzahl der natürlich vorkommenden Enzyme geschätzt.

Der intensive Austausch über Stand­orte und Fachdisziplinen hinweg hat nicht nur die Qualität der biotechnologischen Forschung verbessert: „Die Nimbus-Initiative bringt unterschiedliche Bayer-Spezialisten zusammen, um teilkonzernübergreifende Forschungsvorhaben zu ermöglichen“, sagt Coco. Der Molekularbiologe – auch Leiter des Nimbus-Projekts „Protein Engineering“ – beschäftigt sich mit seinem Team vor allem mit dem Design therapeutischer Antikörper, also speziellen Eiweißmolekülen, die beispielsweise in der Krebsbehandlung eingesetzt werden. „Wir optimieren diese Proteine, um ihre Sicherheit und Effektivität zu gewährleisten“, erklärt Coco. Die Bayer-Forscher greifen dazu gezielt in den Bauplan eines Proteins ein, der in einem speziellen Genabschnitt vorliegt, und erzeugen Tausende Varianten des Kandidaten. Diese werden dann mit einem vollautomatischen, robotergestützten Hochdurchsatz-Verfahren im Labor getestet, „um aus der Vielfalt ein geeignetes Protein zu finden“, sagt der Eiweißingenieur. Das Know-how zum Design verbesserter Proteine lässt sich zudem auf unterschiedlichste Proteinoptimierungsziele im Rahmen von Nimbus-Projekten übertragen. Für Bayer CropScience sind solche Technologien von großem Interesse, weil sie die Suche nach neuen proteinbasierten Pflanzenmerkmalen, den sogenannten „Traits“, beschleunigen und auch auf eine breitere Basis stellen. „Die Zusammenarbeit mit den Forschern von Bayer HealthCare im Rahmen des Nimbus-Projekts verschafft uns den Zugang zu einer hoch innovativen Technologie-Plattform inklusive Roboteranlagen für Hochdurchsatztests“, erklärt Dr. Marc Linka, der gemeinsam mit seinen Kollegen von Bayer CropScience an der Entwicklung neuartiger Traits arbeitet.

Forschungserfolge sind Teamsache

Wissenschaft lebt vom Erfahrungsaustausch. Und wenn es um die Gesundheit von Mensch, Tier und Pflanze geht, bietet sich dafür genügend Anlass. Auf diese Schnittstellen konzentriert sich der Bayer-Konzern mittlerweile verstärkt – und hat dazu bereits 2012 die Nimbus-Initiative ins Leben gerufen (s. a. research 26, „Spezial“). Das Unternehmen stellt dazu 30 Millionen Euro für neue Forschungsprojekte bereit, um die Lebenswissenschaften noch enger zu verzahnen. Die Forscher arbeiten beispielsweise an Themen wie Epigenetik, Hochdurchsatz-Screening zur Wirkstofffindung oder Biotransformationen. Ihr Ziel: das erarbeitete Wissen noch intensiver auszutauschen und die Qualität der Forschung weiter zu verbessern.

Expertise der Eiweißingenieure verbessert Pflanzenmerkmale

Das Teamwork hat bereits Früchte getragen: Im Rahmen der Zusammenarbeit haben die Bayer-Forscher mehrere neue Proteine konstruiert, die jetzt in Nutzpflanzen eingeschleust und dann im Gewächshaus und auf dem Feld geprüft werden. „Das gesamte Nimbus-Team ist natürlich sehr gespannt, ob sich die vielversprechenden Ergebnisse aus dem Labor in der Praxis bestätigen“, sagt Linka.

Mensch und Maschine: Dr. Michael Strerath und Konrad Odendahl (v. li.) kontrollieren die Pipettierqualität einer Screeninganlage.
Und Petra Helfrich und Fabian Scholz (v. li.) nutzen die neuen Proteine für erste Biotransformationen im Berliner Fermentationslabor.

Die Protein-Engineering-Expertise der Kölner Bayer-Kollegen um Coco ist zudem auf weiteren Gebieten gefragt: beispielsweise um Enzyme zu entwerfen, die sich als Biokatalysatoren einsetzen lassen, um Produktionsrouten für neue Wirkstoff­kandidaten zu entwickeln. Häufig eignen sie sich auch, um kostengünstigere Herstellungsverfahren zu etablieren.

Gemeinsame Forschung für bessere Produktionsprozesse

„Durch das Nimbus-Projekt besteht erstmals die Möglichkeit, dass wir Biokatalysatoren zwischen Pflanzen- und Pharmaforschung systematisch austauschen“, so Dr. Ingo Hartung, Leiter des Biokata­lyselabors von Bayer HealthCare in Berlin. „Mit den Kollegen um Wayne Coco haben wir zudem die Spezialisten, die Biokatalysatoren passgenau zu optimieren und ihnen so den nötigen Feinschliff zu verleihen.“

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Bibliothek der Biokatalysatoren im Einsatz: Aus der Mikroorganismen-Sammlung in Berlin werden erste Hits identifizert

Wie lassen sich aber Enzyme identifizieren, die es sich zu optimieren lohnt? Um diese Frage zu beantworten und um das Talent von Biokatalysatoren im gesamten Bayer-Konzern – von der Entdeckung bis hin zu ihrer Produktion – nutzen zu können, wurde das Nimbus-Projekt „Biotransformationen“ ins Leben gerufen. Ein interdisziplinäres Team um Dr. Mark James Ford, Process Research bei Bayer CropScience, arbeitet seit knapp zwei Jahren am Aufbau einer konzernübergreifenden Enzymsammlung. Das Team hat sich zum Ziel gesetzt, sowohl technische Biotransformationen für verbesserte Produktionsprozesse zu realisieren als auch das Spektrum weiterer Einsatzmöglichkeiten in Forschung und Entwicklung auszuloten. „Das notwendige Wissen, um Biokatalysatoren systematisch zu nutzen, existierte teilweise schon vor dem Start des Nimbus-Projekts“, erklärt Ford. Doch der Wissenstransfer und die direkte Zusammenarbeit der einzelnen Experten haben sich durch die konzernübergreifende Initiative deutlich verbessert – und letztendlich so erst die Realisierung von maßgeschneiderten Enzymen ermöglicht. „Wir wussten gar nicht, was wir zusammen alles schaffen können: Synergie im positivsten Sinn“, sagt Ford.

Durch das Nimbus-Projekt besteht erstmals die Möglichkeit, dass wir Biokatalysatoren zwischen Pflanzen- und Pharmaforschung systematisch austauschen.

Protein-Ingenieure

Gemeinsam mit seinen Kollegen arbeitet Dr. André Pütz von Bayer Technology Services stetig daran, neue Biokatalysatoren zu finden, zu isolieren und zu charakterisieren.

Spezialisten von Bayer Technology Services arbeiten im Rahmen des Nimbus-Teams daran, eine umfangreiche Enzymsammlung aufzubauen. „Durch die enge Zusammenarbeit mit führenden Hochschulen beschaffen wir nach intensiven Literatur- und Datenbankrecherchen die geeigneten Enzyme und bereiten sie im Labor für die Fragestellungen von HealthCare und CropScience weiter auf. Dadurch vergrößern wir stetig die Bayer-Biokatalysator-Bibliothek“, erklärt Dr. André Pütz, Biochemistry & Biocatalysis bei Bayer Technology Services. Haben die Experten bei Bayer Technology Services, Bayer HealthCare und Bayer CropScience nach dem Screening der neuen Sammlung geeignete Enzyme gefunden, diese isoliert und charakterisiert, läuft die ­Optimierungsmaschinerie in Cocos Team an, um die Eigenschaften der Biokatalysatoren weiter zu perfektionieren. Gepaart mit viel Know-how und innovativen Ansätzen steht am Ende ein maßgeschneiderter Biokatalysator, der sich industriell nutzen lässt. Aber auch schon während der oft langwierigen Entwicklungszyklen gibt es immer wieder kleinere und größere Erfolge zu vermelden.

Zu Besuch bei den biologischen Reaktionsbeschleunigern

Wirkstoffsuche am Fließband

Die moderne Forschung setzt im Protein-Engineering unter anderem auf das sogenannte Hochdurchsatz-Screening: Dabei testen Roboter viele zehntausende von potenziell biologisch verbesserten Proteinvarianten innerhalb kürzester Zeit.

Antikörper vom Fließband: In den Glaskolben mit Zellkulturmedium, die Bayer HealthCare-Mitarbeiterin Astrid Rueter in den Händen hält, werden menschliche Zellen zu kleinen Produktionsstätten. Diese können innerhalb von sechs Tagen mehr als ein Gramm eines bestimmten therapeutischen Antikörpers erzeugen.
Schatzsucher: Alexander Korseska und Nina Habrich (v. li.) testen mittels Roboter pro Tag bis zu 80.000 Proteinvarianten.
Besser produzieren: Um die Herstellung des Pflanzenschutzmittels Indaziflam zu optimieren, haben Dr. Mark Ford und seine Kollegen in Process Research und Development die Synthese in vielen Versuchsreihen im Labor getestet – und schließlich mithilfe der Biotechnologie in die großtechnische Produktion überführt.
Massenproduktion: Mithilfe von Robotersystemen lassen sich Proteine in großen Mengen herstellen.
Proteine im Blick: Der Antikörper-Spezialist Dr. Fred Aswad arbeitet an der Optimierung der Eiweißmoleküle.
Hightech-Biotech: Bei der Entwicklung innovativer Proteine baut Dr. Wayne Coco auf die Hilfe einer vollautomatischen Roboteranlage.

Von neuen Enzymen profitiert die moderne Gesellschaft

„Dank der Nimbus-Plattform konnten wir nicht nur die Screening-Zeiten deutlich verkürzen. Es gab auch immer wieder ‚Quick Wins’. Das in dem Projekt bis heute gesammelte Wissen konnte bereits in Einzelfällen in die Praxis umgesetzt werden. Dies ist nur möglich, weil wir intern gut vernetzt sind und einen lebhaften wissenschaftlichen Austausch pflegen“, erklärt Ford. Mit jedem Projektzyklus, mit jedem neuen Enzym und mit jedem maßgeschneiderten Biokatalysator gewinnen die Bayer-Wissenschaftler neues Wissen. Und von diesem Erfahrungsschatz profitieren dann letztlich Ärzte und Patienten, Landwirte und Verbraucher.


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