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Flexible Protein-Modifikatoren

(16.12.2021) Mit ihren TrypCoZymen wollen vier Hallenser Forscher Krebstherapien verbessern. Ihr Start-up namens TrypCo steht bereits in den Startlöchern.
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Biokatalysatoren aka Enzyme ermöglichen oder beschleunigen Stoffum­wandlungen, ohne dabei jemals selbst verbraucht zu werden. Kein Wunder, dass die kleinen Helferlein gerne von Chemikern und Biotech­nologen zweck­entfremdet werden. Mit ihrer Hilfe lassen sich wunderbar wichtige Verbindungen für die Industrie herstellen, wie zum Beispiel für Medikamente, Pflanzen­schutzmittel oder für den Labor­bedarf. Das Problem dabei ist nur, dass die Wildtyp-Enzyme nicht besonders selektiv arbeiten, wenn es darum geht, synthetische Verbindungen herzustellen, die die Natur eigentlich nicht für sie vorgesehen hat. Setzt man sie in ihrem Ursprungs­zustand ein, erzeugen sie meist kein homogenes Wunschprodukt, sondern ein Gemisch aus vielen Unbekannten.

Naheliegend also, dass der Mensch versucht, Biokata­lysatoren zu seinem Nutzen zu optimieren. So auch Marcus Böhme (im Bild), der in der Arbeitsgruppe von Frank Bordusa an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg genau daran forscht. In seiner Doktorarbeit hat er es geschafft, einen Trypsin-basierten Biokata­lysator, dieTrypsiligase, so zu verbessern, dass dieser die für ihn vorgesehene Aufgabe deutlich effizienter erfüllt – nämlich Proteine gezielt mit neuen Funktionen auszustatten.

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Ausgezeichnete Dissertation

Die Trypsiligase verknüpft dabei das Zielprotein mit einem Peptid mit Wunsch­funktion. Um sich das Enzym „gefügig zu machen“, hat Böhme ein evolutives Enzym-Engineering etabliert. Mithilfe dieser Methode konnte der Wissenschaftler zahlreiche Trypsiligase-Varianten mit verbesserten Eigenschaften innerhalb einer großen Varianten-Bibliothek identifi­zieren und die vielverspre­chendste Enzym-Variante für weitere Arbeiten auswählen. Für seine Dissertation wurde Böhme kürzlich sogar mit dem Transferpreis 2021 der Stadtwerke Halle ausgezeichnet.

Mittlerweile ist die Arbeitsgruppe um Böhme und Bordusa schon einen ganzen Schritt weiter. Unterstützt von der BioPharma Translations­institut Dessau Forschungs GmbH (BTI) entwickelten sie die enzymatische Plattform-Technologie TrypCo. Hierzu nutzen die Forscher einige der verbesserten Trypsiligase-Varianten, die sie TrypCoZyme nennen. „Unsere TrypCoZyme ermöglichen eine effiziente C- und N-terminale Modifikation von Proteinen anhand einer kurzen Erkennungs­sequenz“, erklärt Böhme und fährt fort: „Im Gegensatz zum Wildtyp-Trypsin, welches als Peptidase die Hydrolyse von Peptid­bindungen in Proteinen katalysiert, ermöglichen TrypCoZyme die Spaltung und gleichzeitig die Neuknüpfung einer Peptid­bindung.“

Letztendlich kann so ein Zielprotein über eine Peptid­bindung an ein extern zugeführtes Peptid mit gewünschter Funktio­nalität geknüpft werden, und zwar ortsspezifisch an der genau dafür vorgesehenen Stelle im Protein. Das Zielprotein kann punktgenau mit unterschiedlichen Wunsch­funktionen, wie zum Beispiel Fluoreszenz­farbstoffen, Affinitäts­liganden, Polymeren oder auch Toxinen, ausgestattet werden. Was die Art des Zielproteins, aber auch die Funktio­nalität angeht sind die TrypCoZyme sehr flexibel.

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Einzigartige Sequenzen

„Ein weiterer Vorteil der TrypCo-Technologie ist, dass wir verschiedene TrypCoZyme mit jeweils einzigartigen Erkennungs­sequenzen entwickelt haben“, berichtet Böhme. Die Erkennungs­sequenzen können an unterschiedlichen Regionen des Zielproteins eingeführt werden. Das macht die Modifikation eines Proteins mit zwei unter­schiedlichen Funktio­nalitäten möglich. Da die TrypCoZyme keine Kreuz­reaktivität zeigen, kann die duale Modifikation sogar in nur einem Konjuga­tionsansatz ablaufen.

Vor allem für die Krebstherapie könnte die TrypCo-Technologie von großer Bedeutung sein. Zur gezielten Tumortherapie nutzen Mediziner derzeit häufig eine vielver­sprechende Klasse von Biophar­mazeutika, sogenannte Antikörper-Wirkstoff-Konjugate (engl. Antibody-Drug Conjugates, ADCs). Ähnlich wie bei der klassischen Chemotherapie werden hierbei zytotoxische Wirkstoff­moleküle zur Abtötung von Tumorzellen eingesetzt. Es gibt aber einen bedeutenden Unterschied – das toxische Molekül ist an einen Tumor-spezifischen Antikörper gebunden und wird zielgerichtet zur Tumorzelle transportiert. Erst wenn es seinen Zielort erreicht hat, wird das toxische Wirkstoff­molekül freigesetzt und tötet die Tumorzelle ab.

Toxisches Gemisch

An gesunde Körperzellen binden die spezifischen Antikörper-Wirkstoff-Konjugate nicht. Gesunde Zellen werden also in der Regel nicht geschädigt und toxische Neben­wirkungen deutlich verringert. „Dennoch sind die bisher zugelassenen ADCs nicht frei von Neben­wirkungen und bieten Potential zur Verbesserung“, sagt Böhme und erklärt: „Tatsächlich werden alle derzeit zugelassenen ADCs durch chemische Konjugations­methoden hergestellt, welche größtenteils zu sehr heterogenen Produkt­gemischen hinsichtlich Toxin­beladung sowie dem Ort der Konjugation führen und teilweise über labile Bindungen fusioniert sind. In solchen Produkt­gemischen finden sich unter anderem Spezies, welche toxische Neben­wirkungen bedingen oder solche, bei denen das Wirkmolekül schon vor dem Erreichen des eigentlichen Wirkorts den Wirkstoff verliert.“

Der Vorteil, den die TrypCo-Technologie hierbei bietet, liegt auf der Hand: Durch die orts­spezifische Modifikation der Proteine – in diesem Fall Antikörper – über spezifische Erkennungs­sequenzen, entstehen ADCs mit homogener Wirkstoff­beladung. Antikörper und Wirkstoff sind über stabile Peptid­bindungen verknüpft. Zudem kann die Verknüpfung von Antikörper und Wirkstoff im biologischen Puffer­system stattfinden, es müssen keine Reduk­tionsmittel, Kofaktoren oder organische Lösungs­mittel zugesetzt werden. Dies alles wirkt sich positiv auf die Sicherheit und therapeutische Effizienz aus.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der dualen Modifikation. So können Multidrug-ADCs hergestellt werden, die mit zwei unter­schiedlichen Toxinen ausgestattet sind, welche den Zelltod über verschiedene Mechanismen bewirken. Auch die Entwicklung bispezifischer ADCs ist möglich, die zwei unter­schiedliche Antigene binden können. „Diese innovativen ADC-Formate haben das Potential, das Anwendungs­spektrum sowie die therapeutische Wirksamkeit von ADCs zu erweitern, womit die TrypCo-Technologie zur Weiter­entwicklung des ADC-Konzeptes beitragen kann“, so Böhme.

Finale Kandidaten-Identifizierung

„Um die TrypCo-Technologie nun auch für eine industrielle Anwendung bereitstellen zu können, forcieren wir aktuell die Gründung eines Start-ups“, erzählt uns der Wissen­schaftler. Aktuell arbeiten mit Böhme noch drei weitere Mitarbeiter an dem Gründungs­projekt: der Biochemiker René Wartner (zukünftiger CEO), der Biochemiker Andreas Simon (zukünftiger Projekt­manager) und MBA Ricardo Azuero (zukünftiger CBO). Marcus Böhme, der selbst Biochemiker ist, nimmt zukünftig die Rolle des CSO ein. Böhme verrät: „Aktuell beschäftigen wir uns mit der Entwicklung eines ADCs, welches auf der Basis der TrypCo-Technologie hergestellt wird. Hier sind wir in den Endzügen der Identifi­kation eines geeigneten Lead-Kandidaten, welcher anschließend präklinisch evaluiert werden soll. Sollte sich dieser als geeignet für eine klinische Prüfung erweisen, bildet dies eine solide Grundlage für die Gründung des Start-ups.“ Die klinische Prüfung würden Böhme und Kollegen dann gerne in Zusam­menarbeit mit erfahrenen Partnern aus der Pharma­industrie durchführen.

Für die Zukunft planen Böhme und seine Kollegen neben der Entwicklung eines eigenen Antikörper-Wirkstoff-Konjugates, die TrypCo-Technologie auch für Pharmafirmen durch Auslizen­zierung oder gemein­schaftliche Koopera­tionsprojekte zugänglich zu machen. So könnten auch Produkt­entwicklungen jenseits der Antikörper-Wirkstoff-Konjugate verwirklicht werden.

Eva Glink

Bilder: Trypco (bearbeitet von LJ)


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Letzte Änderungen: 16.12.2021