Molekulare Eindringlinge

Wege durch die Zellmembran: Kurze eiweißartige Molekülketten untersuchen Wissenschaftler des Zentrums für Medizinische Biotechnologie der Universität Duisburg-Essen (UDE).

Diese so genannten Cell Penetrating Peptides (CPPs) dringen in Zellen ein, doch was sie von gewöhnlichen Peptiden unterscheidet, war bislang weitgehend unbekannt. Ein Kombination aus Experimenten und Simulationen lieferte überraschende Erkenntnisse, die Manuel Prinz und Prof. Dr. Daniel Hoffmann aus der Abteilung für Bioinformatik nun mit internationalen Kollegen in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht haben.

Um die dünne Zellmembran zu überwinden, nutzen die CPPs unterschiedliche Mechanismen. Beispielsweise Transport-Proteine, die wie Türen in die Membran eingelassen sind und einen geregelten Austausch mit der Umgebung erlauben. CPPs einer anderen Klasse rutschen offenbar „einfach so“ durch, und gerade diese Form elektrisiert die Wissenschaftler:

Wie ist es möglich, dass die recht großen Moleküle durch die dichte Hülle schlüpfen? Noch erstaunlicher: die Ketten der zweiten Klasse sind stark elektrisch geladen und man dachte bisher, dass die Zellmembran gerade für solche Moleküle eine besonders hohe Hürde ist.

Doch bestimmte Eigenschaften von Peptiden beeinflussen den Vorgang. Dem Team von Wissenschaftlern aus Darmstadt, Berlin, Essen und Stockholm ist es nun gelungen, diese Eigenschaften zu identifizieren. Dazu wurde die Membrangängigkeit verschiedener Peptide gemessen. „Schwierig war, dass es keine experimentellen Methoden gab, um die strukturellen und dynamischen Eigenschaften dieser flexiblen Moleküle mit hoher Auflösung zu charakterisieren“, erklärt Professor Hoffmann. Denn niedriger auflösende Experimente liefern scheinbar widersprüchliche Informationen.

Die Schwierigkeiten wurden überwunden durch atomar aufgelöste Computersimulationen der Peptide in wässriger Lösung. Dabei zeigte sich, dass CPPs mit guter Membrangängigkeit wie molekulare Stachelschweine aussehen, wobei die Spitzen der Stacheln elektrisch geladen sind. Durch diese Erkenntnisse wäre es möglich, CPPs gezielt zu entwerfen. Das ist nicht nur wissenschaftlich interessant, sondern auch für die biotechnologische und medizinische Anwendung: Verknüpft man die CPPs mit Wirkstoffen, können diese in Zellen eingeschleust werden und dort ihre Wirkung entfalten.

Weitere Informationen: Prof. Dr. Daniel Hoffmann, Tel. 0201/183-4391, daniel.hoffmann@uni-due.de

Publikationshinweis: http://dx.doi.org/10.1038/ncomms1459