An in vitro platform for the rapid and scalable biocatalysis of complex polyketides

Die Natur hat in winzigen Bakterien einige der ausgeklügeltsten chemischen Fabriken gebaut, die der Wissenschaft bekannt sind. Diese mikroskopisch kleinen Organismen besitzen lange, molekulare Montagestraßen aus Proteinen, die einfache Bausteine zu komplexen, dreidimensionalen Strukturen zusammenfügen können. Diese Strukturen, bekannt als Polyketide, sind die Quelle vieler lebensrettender Medikamente, einschließlich Antibiotika, die Infektionen bekämpfen, und Wirkstoffe, die das Immunsystem beruhigen. Jahrzehntelang träumten Wissenschaftler davon, diese natürlichen Montagestatstraßen aus den Bakterien herauszunehmen und in ein Reagenzglas zu setzen. Die Idee war, diese molekularen Maschinen direkt außerhalb der lebenden Zelle laufen zu lassen, ohne die störende Einwirkung einer lebenden Zelle, um neue Medikamente schneller und sauberer herzustellen. Frühe Versuche, dies zu tun, scheiterten jedoch. Wenn Forscher versuchten, diese Montagestatstraßen außerhalb der Zelle zu betreiben, bewegten sie sich so langsam, dass der Prozess nutzlos erschien und fast nichts produzierte, bevor die Maschinerie aufhörte zu arbeiten.

Ein Team von Forschern der University of Texas at Austin hat nun diesen lang gehegten Glauben widerlegt. Sie haben eine neue Art entwickelt, diese molekularen Montagestatstraßen in einem Reagenzglas laufen zu lassen, die schnell, effizient und in der Lage ist, große Mengen komplexer Chemikalien zu produzieren. Durch die sorgfältige Neugestaltung der Protein-Teile der Montagestatstraße und die Schaffung eines Systems, das den Maschinen ständig den benötigten Treibstoff nachfüllt, verwandelte das Team einen schleppenden Prozess in eine schnelle Produktionslinie. Sie demonstrierten, dass diese biologischen Maschinen genauso schnell arbeiten können wie die effizientesten natürlichen Fabriken in der Natur und einfache Zutaten innerhalb weniger Stunden in komplexe, arzneistoffähnliche Moleküle umwandeln. Dieser Durchbruch deutet darauf hin, dass Wissenschaftler nun Bibliotheken neuer, komplexer Medikamente in einem Laborumfeld aufbauen können, indem sie die langsamen und teuren Methoden der traditionellen chemischen Synthese oder die unvorhersehbare Natur des Wachstums von Bakterien umgehen.

Die Geschichte beginnt mit einer speziellen Art von molekularer Maschine namens Polyketid-Synthase. In der Natur sind diese Maschinen wie riesige Förderbänder aus Protein. Sie nehmen kleine, einfache Moleküle und verknüpfen sie in einer präzisen Reihenfolge, um größere, komplizierte Strukturen aufzubauen. Die Reihenfolge der Teile auf dem Band bestimmt die Form und Funktion des Endprodukts. Jahrelang versuchten Wissenschaftler, diese Maschinen in lebenden Bakterien einzusetzen, um Medikamente herzustellen. Dies funktionierte zwar, war aber schwierig zu kontrollieren. Die Bakterien hatten ihre eigenen internen Prozesse, die mit der Montagestatstraße konkurrierten, und es war schwer festzustellen, ob eine geringe Ausbeute auf einen Fehler in der Maschine oder auf die Umgebung der Zelle zurückzuführen war. Den Prozess in ein Reagenzglas zu verlagern, schien die logische Lösung zu sein, da es Wissenschaftlern ermöglichen würde, jede Variable zu kontrollieren. Doch als sie dies zum ersten Mal versuchten, bewegten sich die Maschinen unglaublich langsam. Ein berühmter Versuch, eine Maschine zu betreiben, die ein Antibiotikum namens Erythromycin herstellt, zeigte, dass sie sich in einem gleißenden Tempo bewegte und nur eine winzige Menge an Produkt produzierte, bevor sie stoppte. Dies führte zu der weit verbreiteten Annahme, dass diese komplexen Maschinen außerhalb ihrer natürlichen Heimat einfach nicht gut funktionieren.

Die Forscher setzten sich zum Ziel, diese Annahme zu widerlegen. Sie konzentrierten sich auf eine andere Maschine, die natürlicherweise eine Verbindung namens Narbonolid produziert, das mit dem Antibiotikum Pikromycin verwandt ist. Anstatt die natürliche Version der Maschine zu verwenden, die aus vier großen Proteinsträngen besteht, zerlegten sie sie in sechs kleinere, handlichere Stücke. Dieses umstrukturierte Design machte es einfacher, die Maschine im Labor herzustellen und korrekt zusammenzusetzen. Sie testeten diesen neuen Aufbau dann in einer Lösung, die den notwendigen Treibstoff und die Bausteine enthielt. Anfangs funktionierte die Maschine, aber sie war immer noch zu langsam für die Praxis, und das Produkt, das sie herstellte, war fragil und zerfiel in der chemischen Umgebung des Reagenzglases. Das Team erkannte, dass die Maschine gegen sich selbst kämpfte. Einige Teile der Maschine produzierten unerwünschte Nebenprodukte, und der Treibstoff wurde verschwendet.

Um dies zu beheben, behandelten die Forscher die Montagestatstraße wie einen komplexen Motor, der abgestimmt werden muss. Sie tauschten spezifische Teile der Maschine aus, indem sie generische Verbindungsstücke durch solche ersetzten, die besser zur jeweiligen Aufgabe passten. Sie verschoben die Markierungen, die zur Identifizierung der Proteine verwendet wurden, an andere Stellen auf den Strängen, um zu sehen, ob dies half, die Teile effizienter zusammenzufügen. Sie fügten auch ein spezielles Reinigungsenzym hinzu, das wie ein Mechaniker fungierte und defekte Teile entfernte, die die Montagestatstraße sonst blockiert hätten. Jede kleine Änderung machte die Maschine schneller. Als sie mit der Optimierung des Designs fertig waren, arbeitete die Maschine mit einer Geschwindigkeit, die einhundertmal schneller war als die alte Erythromycin-Maschine und vergleichbar mit der Geschwindigkeit der effizientesten natürlichen Fettsäurefabriken in der Natur. Es war kein schleppender Experiment mehr; es war eine Hochleistungs-Biokatalysator.

Das letzte Puzzleteil war das Treibstoffsystem. Diese Maschinen benötigen eine ständige Zufuhr von Energie und spezifischen Bausteinen, um in Bewegung zu bleiben. In einer lebenden Zelle stellt die Zelle diesen Treibstoff automatisch bereit. In einem Reagenzglas geht der Treibstoff schnell zur Neige. Das Team entwickelte eine neue Plattform, die sie EPK-System nennen und die wie eine selbstauffüllende Station fungiert. Dieses System enthält Enzyme, die den Treibstoff und die Bausteine ständig aus einfachen, günstigen Zutaten regenerieren. Mit diesem System konnten die Forscher eine Reaktion in einem kleinen Becherglas bei Raumtemperatur für zwei Stunden laufen lassen. Sie starteten mit einer winzigen Menge der Maschine und einfachen Zutaten, und die Maschine wandelte sie in eine große Menge des Endprodukts um. In nur zwei Stunden produzierten sie genug der Narbonolid-Verbindung, um ein kleines Fläschchen zu füllen – eine Menge, die mit bisherigen Methoden Tage oder Wochen gedauert hätte.

Der Erfolg dieser Plattform ging über die Herstellung einer einzigen Verbindung hinaus. Die Forscher nutzten dasselbe optimierte System, um vier weitere komplexe Moleküle zu bauen, die jeweils eine leicht unterschiedliche Form haben. Da der Prozess so sauber und frei vom „Rauschen“ einer lebenden Zelle war, konnten sie diese Produkte in reiner Form isolieren. Dies ermöglichte es ihnen, die exakte dreidimensionale Struktur der Moleküle mittels Röntgenkristallographie zu bestimmen, wodurch Details sichtbar wurden, die zuvor noch nie gesehen worden waren. Eines der Moleküle, die sie herstellten, hatte eine Struktur, die ein Spiegelbild einer bekannten Verbindung war – ein subtiler Unterschied, der in lebenden Zellen oft übersehen wird, hier aber deutlich sichtbar war. Die Fähigkeit, diese komplexen Formen in reiner Form herzustellen, öffnet die Tür zur Erstellung riesiger Bibliotheken neuer chemischer Strukturen. Wissenschaftler können nun verschiedene Teile der Montagestatstraßen mischen und kombinieren, um Tausende von neuen Variationen zu erstellen und diese auf medizinische Eigenschaften zu testen, ohne die Einschränkungen des Züchtens von Bakterien.

Diese Arbeit verändert die Landschaft der Herstellung komplexer Medikamente. Sie beweist, dass die Langsamkeit dieser molekularen Maschinen kein grundlegender Fehler war, sondern das Ergebnis eines schlechten Designs und eines Mangels an geeigneten Unterstützungssystemen. Durch den Umbau der Maschinen und die Bereitstellung eines stetigen Stroms an Treibstoff haben die Forscher einen neuen Weg eröffnet, um die mächtigsten synthetischen Werkzeuge der Natur zu nutzen. Der Prozess ist nun schnell genug, um praktisch zu sein, und sauber genug, um hochwertige Materialien für die Arzneimittelforschung zu produzieren. Obwohl sich die Technologie noch in einem frühen Stadium befindet, zeigen die Ergebnisse, dass die Zukunft der Herstellung komplexer Medikamente möglicherweise nicht im Züchten von mehr Bakterien oder dem Bau von mehr Chemieanlagen liegt, sondern in der Verfeinerung der molekularen Montagestatstraßen, die die Natur bereits perfektioniert hat. Die Tür steht offen, um einen weiten chemischen Raum zu erkunden und neue Möglichkeiten für die Behandlung von Krankheiten zu schaffen, die lange Zeit schwer erreichbar waren.