Superklebstoff für die Knochenheilung

Ber­li­ner For­schern ist es gelun­gen mit­hil­fe von umpro­gram­mier­ten Darm­bak­te­ri­en einen Unter­was­ser­kleb­stoff aus Muscheln her­zu­stel­len. Die Hoff­nung der For­scher: Den Super­kleb­stoff zur Kno­chen­hei­lung ver­wen­den.

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 die Mög­lich­keit gebro­che­ne Kno­chen oder Zäh­nen zu kle­ben, 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. 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.

Superklebstoff für die Knochenheilung biotechnologisch hergestellt

Die Uni­Cat-Mit­glie­der 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, haben ein bio­tech­no­lo­gi­sches Ver­fah­ren ent­deckt, mit dem der bio­lo­gi­sche Unter­was­ser­kleb­stoff von Mies­mu­scheln her­ge­stellt wer­den kann.

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.

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 ein­ge­führt. Es wur­de aus dem Bak­te­ri­um Metha­no­cal­do­coc­cus jan­na­schii gewon­nen und von den For­schern ver­än­dert. 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.

Vom Verfahren zum Produkt zur Knochenheilung – Ausgründung geplant

Die Her­stel­lung oder Anrei­che­rung von Muschel-Haft-Pro­te­inen 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. Auch dass das Haft-Pro­te­in der Mies­mu­schel wegen sei­ner guten Kle­be­ei­gen­schaf­ten qua­si sofort ver­wen­det wer­den müss­te, ist ein Nach­teil.

Das neue 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 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.

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.“

Publi­ka­ti­on:
Hauf M et al. Pho­toac­tivat­able Mus­sel-Based Under­wa­ter Adhe­si­ve Pro­te­ins by an Expan­ded Gene­tic Code. Chem­Bio­Chem 2017, 18, 1819–1823.

Quelle
TU Berlin
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