Biophysikalischer Chemiker der JGU erhält renommierte EU-Forschungsförderung für Arbeit an membranlosen Organellen, die künstliche Proteine in Zellen herstellen
09.04.2020
Ein Ausgangspunkt für die Entwicklung von höheren Organismen wie Algen, Pflanzen und Tiere war die Ausstattung der Zellen mit Zellorganellen, also kleinen Kompartimenten, die wie etwa der Zellkern bestimmte Aufgaben übernehmen. Kürzlich hat Prof. Dr. Edward Lemke eine membranlose Organelle in einer lebenden Zelle erzeugt, die damit in der Lage ist, spezielle Proteine herzustellen. Lemke erhält nun einen ERC Advanced Grant in Höhe von 2,5 Millionen Euro, um die Methode weiterzuentwickeln. Ziel ist die Herstellung von Zellen mit mehreren genetischen Codes, die künstliche Proteine für biomedizinische Grundlagenforschung, biotechnologische Anwendungen und bioinspirierte Materialien erzeugen. Bei einem Advanced Grant handelt es sich um die höchstdotierte Fördermaßnahme der EU, die vom Europäischen Forschungsrat, dem European Research Council (ERC), an herausragende Forscherinnen und Forscher vergeben wird. Lemke ist biophysikalischer Chemiker und Professor für synthetische Biophysik an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) sowie Adjunct Director am Institut für Molekulare Biologie (IMB) in Mainz.
Ziel sind Zellen mit mehreren genetischen Codes
Der genetische Code diktiert, wie die Basentripletts eines RNA-Strangs in ein Protein übersetzt werden. Dieses recht einfache Prinzip ist die Grundlage für die riesige Vielfalt an Lebensformen, von einfachen Bakterien bis zu komplexen Organismen wie Pflanzen und Menschen. Mit einem erweiterten genetischen Code können außer den 22 natürlich vorkommenden Aminosäuren, den Bausteinen für Proteine, zusätzlich mehr als 200 künstliche Aminosäuren für den Aufbau von Proteinen verwendet werden. Bislang gab es keine Lebensform, ob natürlich oder künstlich, die über zwei oder mehr unabhängig voneinander agierende, erweiterte genetische Codes verfügt. Dies möchte Prof. Dr. Edward Lemke im Rahmen des EU-geförderten Projekts "MultiOrganelleDesign" ändern: "Wir hätten gerne eine Zelle mit vier oder fünf verschiedenen genetischen Codes, die unterschiedliche und auch künstliche Proteine herstellen können."
Wenn mehrere Organellen mit jeweils einem eigenen genetischen Code in einer Zelle vorkommen, könnten Proteine sehr gezielt erzeugt werden. Solche Proteine können dann leicht markiert werden, um sie innerhalb ihrer natürlichen Umgebung, der Zelle, für die Bildgebung sichtbar zu machen. Die Präzision dieses Verfahrens wäre, so die Erwartungen, bisherigen Fluoreszenzmethoden bei Weitem überlegen. "Gleichzeitig bieten Designer-Organellen die Perspektive, dass die Gastgeberzelle so wenig wie möglich durch die neuen Organellen beeinträchtigt wird, dass also möglichst keine Nebenwirkungen auftreten", erklärt Lemke.
Neben der Grundlagenforschung stehen somit auch konkrete Anwendungen im Fokus der Technologieentwicklung. Hochauflösende Methoden können auch dabei helfen, die Multifunktionalität von Proteinen zu verstehen, wie es beispielsweise in der Genregulation wichtig ist. Selbst komplett synthetische Proteine mit ganz neuen Funktionalitäten wie etwa als Antikörper wären denkbar.
Membranlose Designer-Organellen als Mini-Maschinen zur Proteinherstellung
Das innovative Konzept beruht vor allem auf der Arbeit mit membranlosen Organellen, die in die Zelle eingebaut werden. "Wir müssen das klassische Denken verlassen, nämlich dass alles in einer Membran stattfindet", so Lemke. Seine Arbeitsgruppe ist Vorreiter auf diesem Gebiet und hat als erste mit dem Einbau von membranlosen Organellen für die Proteintranslation in Zellen begonnen. Die Fortschritte der letzten Jahrzehnte haben gezeigt, dass Proteindesign und Proteinengineering die Biologie revolutionieren können. "Wir können uns kaum vorstellen, was wir mit funktionellen Designer-Organellen in Zellen erreichen können", so Lemke.
ERC Advanced Grant: Weltweit angesehenes Förderformat für Forschung auf höchstem Niveau
Edward Lemke ist Professor für synthetische Biophysik an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Adjunct Director am Institut für Molekulare Biologie und Visiting Group Leader am European Molecular Biology Laboratory (EMBL). Er koordiniert zudem das DFG-Schwerpunktprogramm "Molekulare Mechanismen funktioneller Phasenseparation". Lemke ist Entrepreneur und Chief Scientific Officer (CSO) des Biotech-Startups Araxa Biosciences, das Proteinengineering-Methoden für die Krebstherapie weiterentwickelt.
ERC Advanced Grants werden an herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vergeben, um Projekte durchzuführen, die aufgrund ihres innovativen Ansatzes als hochriskant gelten, die dadurch aber erst neue Wege im jeweiligen Forschungsfeld eröffnen. Die Förderung erhalten nur Forscherinnen und Forscher, die bereits bedeutende Errungenschaften vorweisen können und die seit mindestens zehn Jahren auf international höchstem Niveau erfolgreich gearbeitet haben. Ausschlaggebend für die ERC-Förderung ist allein die wissenschaftliche Exzellenz der Forschenden und ihres Forschungsprojekts. Damit ist ein ERC Grant auch als individuelle Auszeichnung zu verstehen.