Gerichtete Evolution: Zufällige Mutationen können die Genauigkeit der Bindung von Proteinen oder Antikörpern (links) an ihre Ziele (rechts) über mehrere Generationen hinweg verbessern. (Bild: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)
Enzyme sind hochgradig spezialisierte Bio-Katalysatoren, die biochemische Reaktionen umsetzen. Dabei sind sie so effizient, dass auch die Biotechnologie gern Enzyme nutzt, um komplexe Moleküle herzustellen. Allerdings können diese Werkzeuge sehr wählerisch sein, was ihre Reaktionsbedingungen angeht. Im industriellen Maßstab sind sie daher oft bei weitem nicht so effizient wie unter natürlichen Bedingungen.
Arnold: Mutation und Selektion
Frances Arnold hatte darum schon Anfang der 1980er Jahre die Idee, Enzyme zu verändern und so zu verbessern. Da es sich dabei jedoch um Proteine, also hochkompliziert arrangierte Ketten von Aminosäuren handelt, erwies es sich als schwierig, gezielte Veränderungen zu planen und vorzunehmen. Arnold kam stattdessen auf den Ansatz, die Evolution zu imitieren: Sie impfte Bakterien zahlreiche Mutationen – zufällige Variationen – des genetischen Codes für ein Enzym namens Subtilisin ein. Die Bakterien produzierten so hunderte, leicht unterschiedliche Varianten von Subtilisin.
Die meisten Mutationen brachten Enzym-Varianten hervor, die dem ursprünglichen Molekül unterlegen oder sogar komplett unbrauchbar waren. Eine entstandene Version war jedoch vielversprechend genug, um weiteren Mutationen unterzogen zu werden. So entstand eine Enzymvariante, die sogar in 35-%-Dimethylformamid funktionierte. In einer dritten Mutationsrunde schließlich gewann Arnold ein Enzym, dessen Effizienz gegenüber dem ursprünglichen Molekül um mehr als das 250fache gesteigert war. Dieses enthielt zehn verschiedene Einzelmutationen, deren Zusammenspiel im Voraus unmöglich zu erkennen gewesen wäre.
Arnold demonstrierte auf diese Weise, dass die gerichtete Evolution – Einführen von Mutationen und anschließende Selektion funktionierender Varianten – bei Enzymen funktioniert. So verbesserte Enzyme katalysieren heute beispielsweise die Produktion vieler Medikamente. Dabei lassen sie sich so zurechtschneidern, dass sie schneller, mit weniger Nebenprodukten und unter umweltfreundlicheren Bedingungen arbeiten. Arnold selbst optimiert derzeit Enzyme, um einfache Zucker in Isobutanol umzusetzen, einen Ausgangsstoff für „grünen Treibstoff“.
Smith und Winter: Phagen und Antikörper
Eine weitere elegante Methode für die gezielte Produktion hochspezifischer Proteine entwickelte George Smith, ebenfalls in den 1980er Jahren. Er nutzte sogenannte Phagen – sehr einfach aufgebaute Viren, die Bakterien infizieren – um unbekannte Gene zu bekannten Proteinen zu identifizieren. Dazu pflanzte er den Phagen Teile der unbekannten Gene ein, nachdem er sie mit Genen für Bausteine aus der Phagen-Hülle kombiniert hatte. Die so manipulierten Phagen präsentierten dadurch die zum unbekannten Gen gehörenden Proteine auf ihrer Hülle. Mit einem Antikörper, der nur an das jeweilige Protein bindet, konnte Smith die jeweiligen Phagen mit dem gesuchten Protein markieren und so das zugehörige Gen-Fragment isolieren.
Dieses sogenannte Phagen-Display nutzte der dritte Chemie-Nobelpreisträger 2018, Gregory Winter. Er wandelte den Aufbau jedoch etwas ab und stellte eine ganze Bibliothek von Phagen her, die auf Ihrer Oberfläche keine Proteinteile, sondern ganze Antikörper trugen. Antikörper sind Moleküle des Immunsystems, die extrem spezifisch an bestimmte Ziele binden und diese so für die körpereigene Abwehr markieren. Präsentierte Winter nun seiner Phagenbibliothek ein pharmakologisches Zielmolekül, konnte er Antikörper identifizieren, die an dieses Ziel binden.
An dieser Stelle brachte Winter außerdem die von Frances Arnold entwickelte gerichtete Evolution ins Spiel. In den 1990er Jahren entwickelte er mit seinem Team so das erste Medikament, das vollständig auf einem menschlichen Antikörper basiert. Das Arthritis-Mittel Adalimumab erhielt 2002 die Zulassung für den Markt. Der Erfolg dieses Medikaments war der Durchbruch, der zum immer noch anhaltenden Boom der Immun-Therapien in der Pharmaindustrie führte.[ak]
