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Universität Basel

Mikrofabrik im Körper

Tim Schröder

Können Sie sich vorstellen, dass einst eine kleine Fabrik unter Ihrer Haut oder in Ihrem Körper sitzen wird? Eine biochemische Maschinerie, die nach Bedarf Antibiotika oder Krebsmedikamente produziert?

Sie müssten keine Medikamente mehr schlucken, kein Antibiotikum, das zugleich die Darmflora angreift. Die kleine Fabrik würde nur so viel Wirkstoff herstellen, wie Sie brauchen – und zwar genau an der Stelle im Körper, wo er benötigt wird. Diese Vision klingt nach Science-Fiction. Für den Chemiker Wolfgang Meier von der Universität Basel aber ist sie keineswegs abwegig.

Meier arbeitet seit mehr als zehn Jahren an winzigen Nanoreaktoren, an mikroskopisch kleinen Kunststoffbläschen, in denen gezielt biochemische Reaktionen ablaufen können. Noch kann von einer Fabrik keine Rede sein. Doch die ersten Schritte sind vielversprechend. So hat Meier zusammen mit seinen Mitarbeitern bereits einen Vorläufer einer mikroskopisch kleinen Antibiotikafabrik entwickelt. Meiers Werkstoff sind Polymere, spezielle Kunststoffe. Er beherrscht die Kunst, aus den Kunststoffmolekülen in seinem Labor winzige Kügelchen zu formen, die ähnlich wie lebende Zellen oder Zellbestandteile aufgebaut sind. Meier lässt diese Kügelchen verschiedene Substanzen aufnehmen, die dann im Inneren der Kügelchen miteinander zum gewünschten Produkt – beispielsweise einem Antibiotikum – reagieren. Der Clou: Zunächst nehmen die Kügelchen Substanzen auf, die eine Vorstufe des eigentlichen Wirkstoffs sind. Erst wenn die Substanzen in den Kügelchen mit einer anderen Substanz reagieren, entstehen das Endprodukt und der gewünschte Wirkstoff.

Antibiotikaproduktion an Ort und Stelle

Im Falle der Antibiotikaproduktion hat Meier die Kügelchen mit dem Enzym Penicillin-Acylase gefüllt, das die Fähigkeit hat, eine Vorläufersubstanz in ein Antibiotikum zu verwandeln. Im Laborversuch konnte Meier zeigen, dass das klappt. Zuerst mischte er die mit Penicillin-Acylase gefüllten Kügelchen mit einer Kultur von Escherichia-coli-Bakterien. Zunächst passierte nichts. Als er aber die Vorläufersubstanz des Antibiotikums hinzufügte, begannen die Bakterien abzusterben. Meier erklärt das Funktionsprinzip: «Es ist so, dass die inaktive Vorläufersubstanz zunächst durch die leicht poröse Hülle in die Kügelchen hineinwandert und dort von der Penicillin-Acylase zum Antibiotikum umgebaut wird. Das fertige Antibiotikum wandert dann wieder aus dem Kügelchen hinaus und tötet die Bakterien ab.» Noch finden die Experimente in Laborgefässen statt. In nächster Zeit will Meier aber anhand von Zellkulturen prüfen, ob die Antibiotikaproduktion auch in lebenden Zellen funktioniert.

Wolfgang Meier kann dabei auf umfangreiche Unterstützung zählen. Er ist Leiter des gross angelegten Nationalen Forschungsschwerpunkts (National Centre of Competence in Research, NCCR) «Molecular Systems Engineering», in dem seit Mitte 2014 an der molekularen Fabrik der Zukunft gearbeitet wird. 29 Forschungsgruppen aus der Universität Basel, der ETH und anderen wissenschaftlichen Einrichtungen sind daran beteiligt. Der schweizerische Nationalfonds unterstützt die Arbeit während der ersten vier Jahre mit 16,9 Millionen Franken. Allein die Grösse des Forschungsschwerpunkts zeigt, welche Bedeutung die Entwicklung der molekularen Systeme hat. Gelingt es tatsächlich, Mikrofabriken zu bauen, wäre das Potenzial enorm. Man könnte Kunststoffvesikel direkt in der Nähe von Krebsherden platzieren und dann dem Patienten inaktive Vorläufersubstanzen verabreichen. Diese würden nur direkt am Tumor in den Kunststoffvesikeln zum Wirkstoff umgesetzt. Dem Patienten bliebe eine Chemotherapie mitsamt allen Nebenwirkungen erspart.

Meier schwebt vor, verschiedene Kunststoffvesikel miteinander zu verbinden, sodass eine komplexe Produktionskette entsteht: «Im ersten Vesikel würde die Substanz A produziert, die dann in das benachbarte Vesikel wandert und dort zu Substanz B umgewandelt wird und so weiter.»

Obwohl das Prinzip, wie Meier bereits gezeigt hat, funktioniert, sind noch einige Hürden zu überwinden. Dabei müssen nicht nur chemische Fragen beantwortet werden. Im NCCR Molecular Systems Engineering (MSE) arbeiten deshalb Biologen, Chemiker, Ingenieure und Physiker zusammen. Der Biophysiker Daniel Müller vom Departement für Biosysteme der ETH in Basel etwa arbeitet daran, die Reaktionen in den Mikrofabriken zu optimieren. «In einer lebenden Zelle ist ganz genau definiert, wo eine biochemische Reaktion stattfindet und wie viele Moleküle daran beteiligt sind, damit sie optimal abläuft. Wir wollen herausfinden, wie sich durch eine solche Ordnung in unseren künstlichen Zellfabriken Prozesse optimal steuern lassen.» Unklar ist bislang auch, wie die Energie für die chemischen Reaktionen in der Mikrofabrik erzeugt werden soll, sagt Daniel Müller, Co-Direktor des NCCR MSE. In lebenden Zellen werden viele biochemische Reaktionen durch energiereiche Moleküle angetrieben. Noch wissen die Forscher nicht, ob es gelingen kann, diese Energielieferanten auch für die Mikrofabrik zu nutzen.

Zentrum für die Entwicklung von Mikrofabriken

Die Förderung des NCCR MSE ist zunächst auf vier Jahre befristet. Doch besteht die Möglichkeit auf zweimalige Verlängerung, sodass das NCCR maximal zwölf Jahre lang gefördert werden kann. Aus den Fördermitteln werden derzeit mehrere Professuren und eine ganze Reihe von Promotionsarbeiten finanziert. «So ist gewährleistet, dass sich die beteiligten Doktoranden oder Postdoktoranden ganz dem Thema MSE widmen und frei von anderen wissenschaftlichen Verpflichtungen arbeiten können», sagt Meier. «Wir halten die Erforschung von molekularen Systemen für so wichtig, dass wir derzeit einen eigenen Masterstudiengang Molecular Systems Engineering entwickeln, den Studierende künftig an der Universität Basel und an der ETH belegen können. Damit wollen wir rechtzeitig Experten auf unserem Gebiet ausbilden, die unsere Grundlagenforschung voranbringen werden.» Des Weiteren werden im NCCR MSE insbesondere Wissenschaftlerinnen gefördert. So wird unter anderem ein Stipendium an Forscherinnen mit Kindern vergeben, das es den Frauen ermöglicht, Forschungs- und Erziehungsarbeit zu vereinen.

Wolfgang Meier und seinen Kollegen ist bewusst, dass neue Technologien Risiken bergen können. So werden beispielsweise seit vielen Jahren in der Öffentlichkeit die möglichen Gefahren diskutiert, die von der Gentechnologie oder auch Nanopartikeln ausgehen können. Im NCCR MSE wird deshalb von vornherein intensiv untersucht, welche möglichen Folgen der Einsatz von Mikrofabriken im Körper des Menschen haben könnte. So wurde unter anderem eine Ethikstelle eingerichtet, und an der Universität Zürich befasst sich gar ein ganzes Projektteam explizit mit den möglichen ethischen, sozialen oder politischen Folgen des Molecular Systems Engineering.

Mit künstlichen Bläschen gegen Malaria

Wolfgang Meier ist davon überzeugt, dass MSE ungeheure Möglichkeiten bietet und künftig vor allem bei der Behandlung von Krankheiten eine Rolle spielen wird. In einem aktuellen Forschungsprojekt hat er gezeigt, dass seine kleinen Kunststoffvesikel das Zeug dazu haben, die Krankheit Malaria in Schach zu halten. Meier und seine Kollegen haben dazu Vesikel synthetisiert, die sich gezielt an die Oberfläche der sogenannten Merozoiten heften. Merozoiten sind jene Erreger, die bei einem Malariaschub im Körper des Erkrankten freigesetzt werden, in die roten Blutkörperchen eindringen und diese zerstören. Meier hat die Kunststoffvesikel durch molekulare Anhängsel so gestaltet, dass sie sich an die Oberfläche der Merozoiten anheften und diese blockieren. So können sie nicht mehr rote Blutkörperchen befallen. Solche ersten Erfolge des NCCR MSE sind vielversprechend. Dennoch dämpft Meier zu grosse Erwartungen: «Noch stehen wir ganz am Anfang.»

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