Superklebstoff aus Darmbakterien
Herstellung von muschelbasierten Unterwasserklebstoffen für die Heilung von Knochenbrüchen mithilfe von umprogrammierten Darmbakterien/ Ausgründung geplant
13. November 2017
UniCat-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben Stämme des Darmbakteriums Escherichia Coli so umprogrammiert, dass mithilfe der Bakterien der biologische Unterwasserklebstoff von Miesmuscheln produziert werden kann. Das Besondere an dem neuen biogenen Superklebstoff: Die Klebeeigenschaften können durch Bestrahlen mit Licht angeschaltet werden. Dadurch ergeben sich lang ersehnte Möglichkeiten zum Kleben von gebrochenen Knochen oder Zähnen, die mit diesem Bioklebstoff wieder zusammenwachsen könnten. Die Erkenntnisse sollen nun in eine Ausgründung überführt werden.
Die regenerative Medizin benötigt dringend leistungsfähige Klebstoffe, die biokompatibel sind –also gut verträglich für den Organismus, in den sie eingesetzt werden. Damit könnten sowohl oberflächliche Hautwunden behandelt oder auch der Einsatz von Platten und Schrauben bei Knochenbrüchen überflüssig gemacht werden. Biologische Haft-Proteine könnten zukünftig nicht nur Knochenfragmente kleben, sondern auch das Zusammenwachsen des Knochens ermöglichen.
Biotechnologisches Verfahren zur Herstellung des Unterwasserklebstoffs von Miesmuscheln
Durch gemeinsames Arbeiten in den UniCat-Gruppen von Prof. Dr. Nediljko Budisa von der TU Berlin, Prof. Dr. Holger Dobbek von der HU Berlin und Prof. Dr. Andreas Möglich, mittlerweile an der Universität Bayreuth, wurde ein biotechnologisches Verfahren entdeckt, mit dem der biologische Unterwasserklebstoff von Miesmuscheln hergestellt werden kann. Das vor kurzem zum Patent angemeldete Verfahren ist gerade in der Fachzeitschrift ChemBioChem beschrieben worden.
Miesmuscheln leben hauptsächlich in den Gezeiten- und Schelfbereichen der Meere. Dort müssen sie den starken Strömungen und dem Salzwasser standhalten. Sie benutzen einen Superkleber, um sich am Meeresboden festhalten zu können. Dieser muss auch noch bei Niedrigwasser funktionieren, wenn Muschelbänke nicht mehr von Wasser bedeckt sind.
Mithilfe dieses Klebers kann sich die lebende Muschel beinahe an allen Oberflächen festhalten. An ihrem Fuß scheidet sie Fäden aus, die aus einem Proteinkleber bestehen. Der wichtigste Bestandteil dieses Proteinklebers ist die Aminosäure 3,4-Dihydroxyphenylalanin, kurz „DOPA“ genannt.
Wie stellen die Wissenschaftler den Super-Klebstoff her?
„Um diese Muschelproteine herzustellen, benutzen wir Darmbakterien, die wir umprogrammiert haben“, erläutert Prof. Nediljko Budisa. „Sie sind unsere Chemiefabrik, mit der wir den Superleim produzieren.“ Als erstes wird dazu in Escherichia coli ein spezielles Enzym, das aus dem Bakterium Methanocaldococcus jannaschii gewonnen und von den Forschern verändert wurde, eingeführt. Anschließend wird das veränderte Darmbakterium mit der Aminosäure ONB-DOPA (ortho-Nitrobenzyl-DOPA) gefüttert. Im ONB-DOPA sind die für die starke Klebewirkung verantwortlichen Dihydroxyphenyl-Gruppen geschützt. Das ist ähnlich wie bei einem Aufkleber, dessen Selbstklebefläche mit einer Schutzfolie versehen ist.
Das umprogrammierte Bakterium baut nun diese ‚mit Schutzfolie versehene‘ Aminosäure in Proteine ein, und man erhält ein Haftprotein, dessen Klebestellen noch geschützt sind. Erst nachdem das geschützte Haftprotein aus den Bakterien herausgelöst und gereinigt worden ist, werden die Schutzgruppen mit Hilfe von Licht einer bestimmten Wellenlänge (365 nm) entfernt. Das Haftprotein verliert dadurch - bildlich gesprochen - seine Schutzfolie, seine Klebestellen werden aktiviert, und das Protein kann zielgerichtet als Klebstoff verwendet werden.
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Von der Idee zum Produkt - Ausgründung geplant
Die Herstellung oder Anreicherung von Muschel-Haft-Proteinen (MAPs = mussel adhesive proteins) ist bisher nicht befriedigend gelöst: Die Isolierung dieser Bio-Leime aus Muscheln und anderen natürlichen Quellen ist ineffizient und teuer. So lassen sich aus 10.000 Miesmuscheln nur 1 bis 2 Gramm dieses Superklebers gewinnen. Hinzu kommt, dass das Klebstoff-Protein aus Muscheln nicht homogen gewonnen werden kann; das heißt, dass jede Charge unterschiedlich ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass das Haft-Protein der Miesmuschel wegen seiner guten Klebeeigenschaften quasi sofort verwendet werden müsste. Das neue zum Patent angemeldete Verfahren der UniCat-Wissenschaftler kann zu erheblichen Verbesserungen führen: eine Erhöhung der Ausbeute, die Vermeidung von Tierleid, ein homogeneres Produkt, dessen Klebeeigenschaften angeschaltet werden können.
Zwei Wissenschaftler der Arbeitsgruppe Budisa wollen sich mit dieser umweltfreundlichen und für die Menschheit nützlichen Idee ausgründen. „Diese Strategie bietet neue Wege zur Herstellung von DOPA-basierten Nassklebstoffen für die Anwendung in Industrie und Biomedizin mit dem Potential, Knochenchirurgie und Wundheilung zu revolutionieren“, davon sind Christian Schipp und Dr. Matthias Hauf überzeugt. Zur Verwirklichung ihrer Geschäftsidee wollen sie Labore des Inkulab nutzen, dem Ausgründungslabor des Exzellenzclusters UniCat an der TU Berlin, und an seinem Inkubationsprogramm teilnehmen.
Der Initiator des Ausgründungslabors Inkulab, Prof. Reinhard Schomäcker, freut sich: „Genau für solche innovativen Ideen haben wir gemeinsam mit der Berliner Wirtschaft das Inkulab gegründet. Der Wissenschafts- und Wirtschaftsstandort Berlin wird durch Firmengründungen wie diese extrem bereichert. Ganz Deutschland profitiert von diesem Gründergeist.“
Muschelproteine
Die starken Klebeeigenschaften dieser Bio-Leime beruhen auf der Anwesenheit von 1,2-Dihydroxyphenyl-Gruppen in der Seitenkette der Aminosäure L-3,4-Dihydroxyphenylalanin (L-DOPA). L-DOPA ist eine nicht-proteinogene Aminosäure. Sie gehört also nicht zu den 21 Aminosäuren, die als Bausteine für die Bildung von Proteinen in lebenden Zellen verwendet werden. L-Dopa wird durch Hydroxylierung der proteinogenen Aminosäure Tyrosin erzeugt (post-translationale Erzeugung) und ist besonders gut für die Oberflächenhaftung geeignet.
Die Forschungsarbeiten zu photo-aktivierbaren muschelbasierten Unterwasser-Haft-Proteinen sind eine Kooperation dreier UniCat-Arbeitsgruppen und in der Zeitschrift ChemBioChem veröffentlicht worden.
Publikation
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Matthias Hauf, Florian Richter, Tobias Schneider, Thomas Faidt, Berta M. Martins, Tobias Baumann, Patrick Durkin, Holger Dobbek, Karin Jacobs, Andreas Möglich, and Nediljko Budisa:
"Photoactivatable Mussel-Based Underwater Adhesive Proteins by an Expanded Genetic Code"
ChemBioChem 2017, 18, 1819-1823, doi: 10.1002/cbic.201700327
Link zum Video
youtu.be/1HUMaqjTpsY
Weitere Informationen erteilen Ihnen gern:
Prof. Dr. Nediljko Budisa
TU Berlin
Institut für Chemie
Tel.: 030 314-28821
budisa@biocat.tu-berlin.de
www.biocat.tu-berlin.de/menue/biokatalyse