Forschung

Die Biologische Chemie beschäftigt sich mit der Herstellung von chemischen Werkzeugen und der Entwicklung von Methoden um biologische Fragestellungen zu beantworten. Sie verbindet dabei Methoden der chemischen Synthese mit molekularbiologischen Arbeitstechniken. Um die Wechselwirkungen chemischer Werkzeuge mit ihren Zielstrukturen zu charakterisieren kommen spektroskopische Methoden zum Einsatz, während die Wirkung auf lebende Systeme vorwiegend mit zellbiologischen Techniken untersucht wird.

Im Mittelpunkt unserer Forschung stehen die Chemokine, eine Klasse von Signalproteinen, die die Wanderung von Zellen des Immunsystems und Stammzellen in entzündlichen Prozessen und in der Entwicklung steuern. Die unkontrollierte Wanderung von Zellen ist die Ursache vieler chronischer Erkrankungen wie Asthma, rheumatoide Arthritis und chronische Entzündungen. Während die Zellen des Immunsystems zur Abwehr gegen schädliche Keime benötigt werden, können sie im umliegenden Gewebe erheblichen Schaden verursachen, wenn sie in zu großer Zahl einwandern. Die Regulierung der Zellmigration ist daher ein wichtiges Ziel in der Therapie entzündlicher Erkrankungen.

Inhibitoren für Chemokine

Abbildung 2: Peptide und Peptidanaloga (hier Peptoide) sollen die Wechselwirkung von Chemokinen (blau) mit ihren Rezeptoren (gelb) inhibieren, um die Migration von Leukozyten (rosa) in Richtung von Chemokine-gradienten zu verhindern (© by K. Schmitz).
Abbildung 2: Peptide und Peptidanaloga (hier Peptoide) sollen die Wechselwirkung von Chemokinen (blau) mit ihren Rezeptoren (gelb) inhibieren, um die Migration von Leukozyten (rosa) in Richtung von Chemokine-gradienten zu verhindern (© by K. Schmitz).

In unserer Arbeitsgruppe entwickeln wir Chemokininhibitoren als Leitstrukturen für neue Wirkstoffe gegen chronisch entzündliche Erkrankungen. Peptide abgeleitet aus der Struktur des Rezeptors sind eine Grundlage für die Entwicklung solcher Inhibitoren, Sammlungen strukturell verwandter Peptidanaloga, die an bestimmte Motive in der Rezeptorbindungsstelle der Chemokine binden, eine andere. Auch Naturstoffe werden als mögliche Inhibitoren untersucht.

Um die Affinität der Inhibitoren für die jeweiligen Chemokine zu bestimmen, werden Bindungsassays basierend auf Fluoreszenzspektroskopie und Oberflächenplasmonresonanz entwickelt. Die großen Mengen von Chemokinen, die für solche Binungsversuche benötigt werden, werden durch rekombinante Expression in Bakterien bereitgestellt. Schließlich wird die Aktivität der Inhibitoren im Zellmodell überprüft. Dabei werden sowohl primäre menschliche Leukozyten als auch Immunzellinien verwendet. Auch Zellinien, die Chemokinrezeptoren rekombinant exprimieren, werden für solche Experimente entwickelt.

Bioaktive Proteinmuster auf Oberflächen

Abbildung 3: Leukozyten adhärieren auf proteinbeschichteten Oberflächen. Immobilisierte Gradienten führen zur Chemotaxis erkennbar an der Polarisation der Zellen. (Zellbilder aus der Originalveröffentlichung in in The Journal of Immunology. Rink et al. 2015. A Haptotaxis Assay for Leukocytes Based on Surface-Bound Chemokine Gradients. J. Immunol. 194(11), 5549-5558. Copyright ©2015 The American Association of Immunologists, Inc.)
Abbildung 3: Leukozyten adhärieren auf proteinbeschichteten Oberflächen. Immobilisierte Gradienten führen zur Chemotaxis erkennbar an der Polarisation der Zellen. (Zellbilder aus der Originalveröffentlichung in in The Journal of Immunology. Rink et al. 2015. A Haptotaxis Assay for Leukocytes Based on Surface-Bound Chemokine Gradients. J. Immunol. 194(11), 5549-5558. Copyright ©2015 The American Association of Immunologists, Inc.)

In einem zweiten Projekt sollten Proteine gerichtet und in bestimmten Mustern auf Oberflächen verankert werden, um Immunzellen zur Wanderung entlang bestimmter Pfade auf einer Oberfläche anzuregen. Solche bioaktiven Oberflächen tragen zum besseren Verständnis der Stellgrößen bei, die bei der Zellwanderung eine Rolle spielen. Später sollen solche Proteinoberflächen für die Diagnostik und die Verbesserung von Implantaten weiterentwickelt werden.

Derzeit entwickeln und testen wir unterschiedliche Verfahren wie Microcontactprinting und Photolithographie zur Abbildung

von Proteinmustern auf Oberflächen. Die Anordnung der Proteine wird durch Rasterkraftmikroskopie und Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Darüber hinaus arbeiten wir an Verfahren zur gerichteten Immobilisierung von Proteinen. Rekombinant exprimierte Chemokine können dazu leicht mit Modifikationen versehen werden, die eine regiospezifische Anbindung erlauben. Zellexperimente belegen schließlich die biologische Aktivität der immobilisierten Proteine.

Methodenentwicklung

Zur Charakterisierung von Inhibitoren und Proteinmustern werden unterschiedliche physikalisch-chemische wie auch biologische Verfahren verwendet, die für die Anwendung auf unsere Fragestellungen maßgeschneidert werden. Auch im Bereich der Peptid- und Peptoidsynthese und deren Analyse werden Verfahren optimiert. Hinzu kommen Methoden der Proteinexpression und –modifikation, sowie chromatographische Methoden zur Proteinreinigung und zellbasierte Assays.