Entwicklung von Medikamenten: Bewegung von Atomen berücksichtigen

Damit Medikamente ihre Wirkung entfalten können, werden zum Beispiel genaue Informationen über die Oberflächenmoleküle von Viren oder Bakterien benötigt. Die Bewegung der Atome dieser Moleküle vernachlässigt wird aber bei der Medikamentenentwicklung oft vernachlässigt.

Bis ein Medikament auf den Markt kommt, vergehen viele Jahre Entwicklungsarbeit. Der Wirkstoff muss in der richtigen Konzentration an den richtigen Ort, um seine Wirkung zu entfalten. Dabei soll es zu wenigen Nebenwirkungen kommen. Eine wichtige Rolle bei solchen Stoffen spielt der chemische Aufbau. Oft handelt es sich um langkettige Proteine. „Es gibt eine sich immer wiederholende Grundstruktur, das sogenannte Backbone oder Rückgrat , welches aus Kohlenstoff- und Stickstoff-Atomen besteht“, erläutert der Informatiker Robin Maack, Doktorand in der Arbeitsgruppe „Computer Graphics and Human Computer Interaction“ von Prof. Hans Hagen an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK). „Dabei muss man sich das so vorstellen, dass die Atome nicht starr sind, sondern sich bewegen. Dies kann gerade beim Rückgrat starke Formänderungen des Moleküls bedeuten.“

Für die Entwicklung von Molekülen können bestimmte Konstellationen Folgen haben. Bei vielen herkömmlichen Programmen, die Proteine darstellen und visualisieren, werden die Bewegungsprozesse der zugrundeliegenden Atome ignoriert. „Sie werden häufig als fixierte Kugeln im Raum betrachtet, obwohl sie einen gewissen Bewegungsraum besitzen“, erläutert Maack. „Dabei kann es durch die Bewegungen zu Wechselwirkungen zwischen den Atomen kommen.“

Maack arbeitet derzeit gemeinsam mit seiner Kollegin Dr. Christina Gillmann von der Universität Leipzig an einer Software, die diesen Bewegungsraum berechnet und ihn gemeinsam mit der ursprünglichen Visualisierung darstellt, ohne dass dabei vorhandene Informationen überdeckt werden. „Nutzer können mit der Software verschiedene Visualisierungsmethoden und Farbschema miteinander kombinieren“, so Maack weiter. „Sie ist übersichtlich gestaltet und ermöglicht es aber auch, dass Positionsunsicherheiten der Atome dargestellt werden.“

Ihren Algorithmus füttern die Informatiker dabei mit Daten von simulierten und realen Molekülen. Hierbei steht die Betrachtung der Atombewegungen im Vordergrund. „Das Programm zeigt nun genauer an, welche Stellen eines Moleküls stabil sind und welche nicht“, sagt Maack.

Interessant ist das Verfahren vor allem für die Entwicklung von Arzneimitteln und anderen Wirkstoffen. Die Technik erlaubt es, schnell zu sehen, ob es Sinn macht und überhaupt möglich ist, das Molekül zu entwickeln und zu produzieren.