Viele, aber nicht alle Haie bilden kleine Antikörper, die man sich mit biotechnologischen Methoden zunutze machen kann – das weiß jetzt auch der Biochemiker Harald Kolmar, dank der Hartnäckigkeit seines damaligen Doktoranden und eines speziellen Paktes.
Wie er auf den Hai gekommen ist, erzählt Harald Kolmar (Technische Universität Darmstadt) leidenschaftlich gerne. Vor wenigen Jahren, es mag 2013 oder 2014 gewesen sein, habe ihn sein zukünftiger Doktorand Stefan Zielonka von kleinen Antikörpern erzählt, die man 1995 bei Haien entdeckt habe. Sie seien stabil, klein und reversibel faltbar – kurzum tolle Moleküle für immunchemische und immunologische Anwendungen. Kolmar habe geantwortet: „Wir sind in Darmstadt 500 Kilometer von jedem Meer entfernt, wo willst du denn einen Hai herbekommen?“ Dennoch fand er die Idee so spannend. Also schlossen sie einen Pakt: Wenn Zielonka Haie besorgen könne, finanziere Kolmar das Projekt.
Die kleinen Moleküle entdeckte ein Forscherteam aus den USA und der Schweiz erstmals in Ammenhaien (Nature 374: 168-73). Fast alle Immunglobuline dieses Fisches haben das ganz gewöhnliche IgG-Format, nur wenige Prozent sind so besonders klein. Man nannte sie Immunoglobulin New Antigen Receptors (IgNAR). Sie bestehen aus nur zwei identischen schweren Ketten mit jeweils fünf Domänen. Die Bindedomäne vNAR enthält drei Complementarity-Determining Regions (CDRs), welche die Spezifität und Affinität der Moleküle bestimmen.
Zielonka, der zu der Zeit noch auf eine Promotionsstelle bei Kolmar hoffte, machte sich also auf die Suche. In einem Aquazoo bei Karlsruhe fand er einen Bambushai, die Universität Gießen bot Zugang zu ihren jungen Gefleckten Katzenhaien. Damit war der Deal mit Kolmar gültig. Die Katzenhaie wurden immunisiert und man wartete ungeduldig auf die ersten Serumproben.
„Die Geschichte mit den Katzenhaien war ein einziges Desaster“, schildert Kolmar. Erst seien die Tiere nicht gewachsen. Nach langem Suchen fand man spezielles Futter, das ihnen auf die Sprünge half. „Und dann erlitten wir einen Nackenschlag: Wir fanden keine kleinen Antikörper in den Katzenhaien.“ Diese Enttäuschung teilten die Darmstädter Biochemiker, wie sie später herausfanden, mit Forschern von Global Biotherapeutics Technologies in Aberdeen, einem schottischen Unternehmen, das zu Pfizer gehört (Fish & Shellfisch Immunol. 34: 1158-69).
Zu diesem Zeitpunkt hätte Kolmar das Projekt am liebsten eingestampft, aber Zielonka wollte noch nicht aufgeben. Er hatte ja noch den Bambushai. Das Tier war zwar nicht immunisiert worden, aber der Forscher entdeckte in dessen Blut tatsächlich kleine Antikörper – die allerdings nicht besonders divers waren. Die Unterschiede lagen ausnahmslos in deren CDR3-Bereichen.
Also verabschiedete sich Zielonka wieder ins Labor, randomisierte CDR3-Bereiche durch die Insertion von zwölf bis zwanzig Basen langen Oligomeren und klonierte schließlich diese Einzeldomänen-Moleküle in Hefen (J. Biotechnol. 191: 236-45). „Das war der Schlüssel zum Erfolg“, erinnert sich Kolmar. „Danach hat er sich die CDR1-Bereiche vorgenommen. Daraus entstand unsere Mother of all Libraries mit über einer Milliarde Transformanden.“
Obwohl zwischen der Entdeckung von kleinen Immunglobulinen in Kamelen und Haien nur zwei Jahre liegen, hinkt die Entwicklung von Einzelketten-vNARs denen von Nanobodies deutlich hinterher. Während vergangenes Jahr bereits der erste therapeutische Nanobody zugelassen wurde, sind die Liebhaber von vNAR-Molekülen davon noch weit entfernt. Angesichts der rasanten Entwicklungen der letzten zehn Jahre mit Nanobodies und vielen anderen kleinen Antigen-bindenden Formaten fragt man Kolmar immer wieder, ob man Hai-Bindemoleküle überhaupt brauche und wenn ja, wozu? Tja, woher soll man das wissen, bevor man sich intensiv damit beschäftigt hat?
Eine kleine Hai-Antikörper-Community befasst sich unerschütterlich mit diesen Molekülen. Eine Hochburg ist Aberdeen. In der schottischen „Silver City“ untersucht Helen Dooley die evolutionäre Geschichte dieser speziellen Moleküle während Andrew Porter, Caroline Barelle und Kollegen deren Fähigkeiten „versilbern“. Sie arbeiten bei der Firma Elasmogen, die 2016 aus der dort ansässigen Universität ausgegründet wurde, und entwickeln vNAR-Domänen, die sie unter dem Markennamen soloMER verkaufen. Diese Moleküle lassen sich nach dem Plug-and-Play-Prinzip zu bispezifischen und/oder biparatopischen Varianten kombinieren. Laut ihrer Webseite sind erste Moleküle aus der Elasmogen-Produktion in präklinischen oder Phase-I-Studien.
Auch im Kolmar-Labor wird weiter mit vNAR-Molekülen gearbeitet. Beispielsweise hat Doreen Könning CDR3-Bereiche mit Histidinen angereichert und damit die Moleküle pH-empfindlich gemacht (Methods Mol. Biol. 1827: 109-27). Schon zwei Histidine reichen aus, um die Struktur der Moleküle durch Protonierung und Deprotonierung zu verändern, was wiederum die Bindung der Antigene beeinflusst. Mit dem pH-Wert der Umgebung lässt sich also die Bindung steuern.
Die ersten Jahre hat Kolmar die vNAR-Forschung aus Bordmitteln finanziert. Jetzt stellt er Anträge und die werden auch bewilligt. „Bis dahin war es aber ein steiniger Weg“, sagt er. „Wir haben uns erst nach neun oder zehn Publikationen wirklich getraut, den ersten DFG-Antrag zu stellen. Denn Gutachter tun sich ja schwer, wenn man mit einem Projekt oder Methoden kommt, mit denen man noch keine Erfahrung nachweisen kann.“ Das dürfte nun kein Problem mehr sein.