• Lichtschalter für Moleküle

    Otto-Bayer-Preis 2016 für Pionierarbeit in der Optogenetik

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    Mit Photostatinen behandelte Zellkulturen: Unbestrahlt (li.) sind Mikrotubuli (grün) und Zellkerne (blau) intakt und klar erkennbar. Beleuchtung mit Blaulicht (re.) zerstört die Mikrotubuli. Dadurch sterben die Zellen und die Zellkerne beginnen, sich zu zersetzen.

Er ist ein Pionier der Photopharmakologie: Prof. Dr. Dirk Trauner hat einen Weg gefunden, Moleküle mit einem Schalter auszustatten, der mit Licht gezielt biologische Prozesse in einer Zelle aktiviert. Das könnte helfen, beispielsweise Krebs­erkrankungen zu therapieren. Die Forschungsarbeiten des Biochemikers haben das Fachgebiet Optogenetik einen großen Schritt vorangebracht – dafür wurde er vor Kurzem mit dem Otto-Bayer-Preis 2016 ausgezeichnet.

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  • Herausforderung:
    Chemotherapien haben extreme Nebenwirkungen, da sie nicht nur Tumorgewebe, sondern alle Körperzellen angreifen.

    Lösung:

    Der Biochemiker Prof. Dr. Dirk Trauner hat einen Weg gefunden, Moleküle mit einem Schalter auszustatten, der mit Licht gezielt biologische Prozesse in einer Zelle aktiviert. So könnten sich Wirkstoffe gezielt ein- und ausschalten lassen.
  • Nutzen:
    Das könnte helfen, beispielsweise Krebserkrankungen zu therapieren und die Nebenwirkungen vieler Medikamente drastisch reduzieren.

Noch ist es ein wenig „Science Fiction“, könnte aber schon bald möglich sein: biochemische Vorgänge im Körper wie einen Lichtschalter ein- und auszuschalten oder Medikamente ganz gezielt erst an ihrem eigentlichen Wirkort zu aktivieren. Dann könnten Ärzte Chemotherapien gegen Krebs entwickeln, die ausschließlich Tumore bekämpfen – fast ohne Nebenwirkungen. Ein Team um den Biochemiker Prof. Dr. Dirk Trauner von der Ludwig-Maximilians-Universität München ist dieser Wunschvorstellung einen großen Schritt nähergekommen: Den Wissenschaftlern ist es gelungen, einen molekularen Schalter zu entwickeln, der sich mittels Licht steuern lässt. Diese Fotoschalter ändern ihre chemische Struktur je nach Wellenlänge des Lichts, dem sie ausgesetzt sind: Im Dunkeln sind die lichtempfindlichen Hybridmoleküle inaktiv. Erst durch Bestrahlung mit kurzwelligem UV-Licht klappt der Schalter um und aktiviert die Moleküle. Werden sie dagegen mit langwelligem Licht bestrahlt, fallen sie zurück in den inaktiven Zustand. So hat Trauner den Molekülen das Sehen beigebracht. „Auch in unserer Netzhaut klappt ein Molekül durch Lichtbestrahlung um und ermöglicht uns so erst, Dinge zu sehen“, erklärt der Wissenschaftler. Für seine Forschungsarbeit erhielt der 49-jährige Chemiker kürzlich den Otto-Bayer-Preis 2016 der Bayer Science & Education Foundation. Die mit 75.000 Euro dotierte Auszeichnung wird seit 1984 regelmäßig Wissenschaftlern verliehen, die wegweisende Forschungsbeiträge auf dem Gebiet der Biochemie und Chemie geleistet haben.

1984

wurde der Otto-Bayer-Preis erstmals verliehen.

Photostatine könnten künftig die moderne ­Krebstherapie revolutionieren

Seit 2008 ist Trauner Professor für chemische Biologie und Genetik an der Ludwig-Maximilians-Universität München. Ein konkretes Anwendungsbeispiel seiner Fotoschalter ist die Krebstherapie. Trauner und sein Team haben dafür sogenannte Photostatine entwickelt. Die Moleküle basieren auf Colchicin, dem Giftstoff einer Pflanzenart, der Herbstzeitlosen, sind jedoch mit einem Fotoschalter ausgestattet. Die Substanz verhindert bereits vor der Zellteilung den Aufbau von Mikrotubuli. Diese organisieren im Zusammenspiel mit anderen Proteinen Bewegungen und Transportmechanismen innerhalb der Zelle. Sind die Mikrotubuli gestört, kann sich die Zelle nicht mehr teilen. „Colchicin wäre also ein gutes Chemotherapeutikum“, so Trauner. Allerdings trifft seine Wirkung auch gesunde Zellen. „Die Nebenwirkungen wären zu stark – eine therapeutische Anwendung des Colchicins scheidet deshalb eigentlich aus“, erklärt der Biochemiker.

Mit einer solchen Krebstherapie könnten vor allem Tumore behandelt werden, die mit LEDs gut erreichbar sind, etwa Retinoblastome – die häufigsten Augentumore bei Kindern – oder Hautkrebs

Auszeichnung: Werner Baumann, Vorstandsvorsitzender der Bayer AG (li.), und Prof. Dr. Ernst-Ludwig Winnacker, Vorsitzender des Stiftungskuratoriums (re.), überreichen Prof. Dr. Dirk Trauner den Otto-Bayer-Preis.

Trauners Ziel war es, „das Zellgift so umzubauen, dass es nur dort giftig ist, wo es angeschaltet wird“. Das ist ihm mit den Photostatinen gelungen. Sie sind nur aktiv, wenn sie mit blauem Licht bestrahlt wurden, und können daher sehr präzise gesteuert werden. Ein so umgewandeltes Molekül könnte also gezielt Tumorzellen an der Teilung hindern, während gesunde Körperzellen nicht unter der Therapie leiden würden. „Ärzte müssten also nur den Tumor beleuchten und den Rest des Körpers im Dunklen belassen, um eine extrem ortsspezifische Wirkung des Giftstoffs zu erzeugen“, erklärt der Forscher.

Aber bis es soweit ist, wird es noch einige Zeit dauern: „Bisher ist das alles nur auf Zellebene von einfachen Versuchstieren wie dem Fadenwurm gelungen“, so Trauner. Aber der erste wichtige Schritt ist getan. Trauner: „Mit einer solchen Krebstherapie könnten vor allem Tumore behandelt werden könnten, die mit LEDs gut erreichbar sind, etwa Retinoblastome – die häufigsten Augentumore bei Kindern – oder Hautkrebs sowie endoskopische Darm- oder Blasenkarzinome.“
Den Zellversuch hat der Fotoschalter bereits bravourös bestanden: In aktiviertem, lichtbestrahltem Zustand hemmten die Photostatine die Zellteilung 250-mal stärker als in Zellen, die im Dunkeln gehalten wurden. „Diese drastische lichtinduzierte Aktivierung übersteigt alles, was bisher in der Photopharmakologie beobachtet wurde“, sagt Trauner. Möglich wurde sie, weil er und sein Team den optischen Schalter mit einer neuen Methode eingebaut haben, die eine besonders große Aktivitätssteigerung erlaubt.

Mithilfe der Fotoschalter lassen sich Mikrotubuli zeitlich und räumlich steuern

Die Möglichkeiten der Fotoschalter gehen aber noch weiter: Die Forscher konnten Photostatine in alle Prozesse der Zellbiologie einschleusen, in denen Mikrotubuli eine Rolle spielen: Neben der Zellteilung gehören dazu auch zum Beispiel der Stofftransport innerhalb der Zelle und die Embryonalentwicklung. Mittels der Photostatine konnten die Wissenschaftler die Mikrotubuli erstmals räumlich und zeitlich präzise steuern und wiederholt ein- und ausschalten – und das innerhalb von Sekundenbruchteilen. „Wir konnten zum Beispiel die Entwicklung einer Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt anhalten und dann diese Hemmung wieder ausschalten, um die Weiterentwicklung der Zelle zu beobachten. Das könnte helfen, die Rolle bestimmter Vorläuferzellen während der Entwicklung aufzuklären“, erklärt Trauner.

Der Otto-Bayer-Preis ehrt wegweisende Forschung

Die Bayer Science & Education Foundation verleiht seit 1984 den Otto-Bayer-Preis Wissenschaftlern, die wegweisende Forschungsbeiträge auf innovativen Gebieten der Biochemie und Chemie geleistet haben. Der Preis wird verliehen im Andenken an den Preisstifter und Erfinder der Polyurethan-Chemie, Prof. Dr. Otto Bayer. Der 1982 verstorbene ehemalige Forschungsleiter der Bayer AG (nicht verwandt mit dem Firmengründer) förderte einen intensiven Kontakt zu den Hochschulen und unterstützte die universitäre Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses.

Die Mikrotubuli waren aber nur der Anfang. Die Möglichkeiten der Fotoschalter sind noch lange nicht ausgeschöpft: Wirkstoffe, die sich millimetergenau ganz nach Wunsch gezielt ein- und ausschalten lassen, könnten in Zukunft Nebenwirkungen vieler Medikamente drastisch reduzieren.