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3.5 Prof. Dr. Volker A. Erdmann

Institut für Biochemie

Keywords: RNA-Technologien, Ribozyme, hochaffine RNAs, Proteinbioreaktor, chemische RNA-Synthesen, RNA-Strukturen, in vitro Evolution.


Thielallee 63. 14195 Berlin; Tel. +49 30 838-56002. Fax -56403; E-mail: erdmann@chemie.fu-berlin.de

Abstract

RNA Technologies

The aim of our research is to establish the RNA technologies for the areas of biotechnology and medicine. We are therefore working on the development of the chemical and enzymatic synthesis of ribonucleic acids that have properties of enzymes (ribozymes) and high affinity RNAs (aptamers). The projects also include the development of a protein bioreactor for the in vitro synthesis of new proteins (enzymes, antibodies) containing unnatural amino acids in predetermined positions. The systems developed are heavily dependent upon the employment of in vitro evolution techniques in order to select for RNA and protein molecules with new functional properties that are not found in nature. Other long range goals of our research are to develop computer methods, which will eventually permit the prediction of RNA and protein molecules with specific characteristics, so that the molecules can be synthesized by automatic systems.

Wissenschaftlicher Werdegang

Geb.: 8.2.1941, BA Chemie & MSc Biochemie: U. of New Hampshire, Durham, NH, USA (1963-66); Dr. rer. nat.: HF Biochemie, NF Chemie & Mikrobio., MPI f. exper. Med. Göttingen, TU Braunschweig (1966-68); Postdoc: MPI f. exper. Med. Göttingen (1968-69), Enzyme Inst. U. of Wis., Madison, USA (1969-71); AG-Leiter: Wittman, MPI f. mol. Genetik, Berlin (1971-89); Habil. (1978) & Prof. (seit 1980) Biochemie, FU Berlin; GfD: Inst. f. Biochemie FU Berlin (1980-84, 87-90); Dekan: FB Chemie, FU Berlin (1984-87); Leibnizpreisträger (1987); Auswärtiger Prof.: Center of Marine Biotechn. Baltimore, USA (seit 1989); Vorsitz: Diplomprüf. Biochemie (1990-93); Sprecher: DFG SfB 344 "Regulationsstrukturen von Nukleinsäuren und Proteinen" (seit 1990), BMBF "Design therapeut. Peptid- und RNA-Mol.", BMBF "Zellfreier Proteinbiosynthesen-Reaktor", DFG "Entwick. neuer molekularbio. & pathol. Methoden f. die Diagn. & Gentherapie v. Tumoren" (Deutschland, Israel, Palästina (seit 1996)). Ruf auf eine Professur (1988) und als Dir. des Center of Marine Biotechn., Baltimore MD, USA (1994); Mitglied: Alpha Chi Sigma (Honor Society, USA), Berlin-Brandenburg. Akad. der Wiss., Eur. Mol. Bio. Organiz. (EMBO), New York Acad. of Sci. (USA), Pol. Akad. der Wiss. (Foreign Member), Society of the Sigma Xi (Honor Society, USA)

Kooperationspartner

Dr. Ilana Arial (Hadassah U. Hosp., Mount Scopus, Israel); Priv. Doz. Dr. Rolf Bald, Dr. Werner Schröder (Inst. f. Biochem., FU Berlin); Priv. Doz. Dr. Jan Barciscewski und Prof. Dr. Andrzej Legocki (Poln. Akad. d. Wiss., Posen); Priv. Doz. Dr. Christian Betzel (EMBL c/o DESY, Hamburg); Prof. Dr. Larry B. Brown (IMB, Jena); Dr. Martin Engelhard, Prof. Dr. Roger S. Goody (MPI für Mol. Phys., Dortmund); Prof. Dr. Detlev Ganten, Prof Dr. Udo Heinemann, Prof. Dr. Frieder Scheller (Max-Delbrück-Centrum, Berlin-Buch); Prof. Dr. Nathan de Groot und Prof. Dr. Abraham Hochberg (Hebräische U., Jerusalem); Dr. Faruq Hammad, Dr. Abdul Salem Qasem (Rafidia Hosp., Nablus, Palestinian Authority); Dr. Gerd Kleinhammer (Boehringer Mannheim GmbH, Penzberg); Prof. Dr. Dimitry Komitowski (Deuts. Krebsforsch.-Zentr. Heidelberg); Dr.-Ing. Reinhard Lohmann (Gesell. z. Förd. angew. Inform., Berlin); Prof. Dr. Reuss (U. Stuttgart); Prof. Dr. Alexander Rich, Prof. Dr. Paul Schimmel (MIT, Cambridge, MA, USA); Dr. Herbert Stadler (Inst. f. Biochem. Analy., Göttingen); Prof. Dr. J. D. Turner (Schering); Prof. Dr. Brigitte Wittmann-Liebold (WTTA GmbH, Teltow); Priv. Doz. Paul Wrede (Inst. für Lasermedizin, FU Berlin); Prof. Dr. Heinz Zeichhardt (Benjamin Franklin, FU Berlin).

Drittmittelgeber

DFG, BMBF, Europ. Space Agency, Deutsche Agentur für Raumfahrt-Angeleg.; DAAD; Natl. Sci. Foundation, USA; Fonds der Chem. Ind.; Schering AG, Berlin; Boehringer Mannheim GmbH, Penzberg; Inst. f. Biochem. Analy., Göttingen; Senatsverwalt. f. Wiss. und Forsch., Berlin.

Forschungsgebiete

Die Forschungsvorhaben unserer Arbeitsgruppe konzentrieren sich auf den Bereich der RNA-Technologien, ein Gebiet, das sich erst in jüngster Zeit entwickelt hat, und dem für die Zukunft große Chancen in der Biotechnologie und Medizin vorausgesagt werden. Mit den RNA-Technologien sollen das Potential der inhärenten Eigenschaften der Ribonukleinsäuren erforscht und in Anwendung gebracht werden.

Hierzu zählen die Entwicklungen der Methoden zur chemischen und enzymatischen Synthese von RNA-Molekülen mit besonderen Eigenschaften. Diese Eigenschaften beinhalten katalytische Funktionen in Form von Ribozymen, mit denen die gezielte Hydrolyse von RNA-Targetmolekülen angestrebt wird. Vorhersehbare Anwendungsbereiche sind somit in der Medizin die Bekämpfung von Tumorerkrankungen und Infektionskrankheiten.

Die Tatsache, daß alle bekannten RNA-Moleküle in der Zelle spezifisch mit Proteinen in Wechselwirkung treten, deutet auf ein weiteres Potential dieser Moleküle hin. Diese Molekülklasse ist die der hochaffinen Ribonukleinsäuren, auch als Aptamere bezeichnet, die in Analogie zu den herkömmlichen Antikörpern eingesetzt werden können. Zu den Vorteilen der Aptamere gehören ihr größeres Spektrum von Targetmolekülen und die Reproduzierbarkeit, mit der diese Moleküle synthetisiert werden können. Augenscheinliche Anwendungsgebiete beinhalten nicht nur die medizinische Diagnostik und Therapie, sondern auch die Biosensorik oder Entwicklung von neuartigen Affinitätschromatographiesystemen.

Mit dem von uns in der Entwicklung befindlichen Proteinbioreaktor wird ein weiterer Anwendungsbereich der RNA-Technologien aufgezeigt. Mit diesem Verfahren soll die Synthese von grundsätzlich neuen Proteinen ermöglicht werden, die gentechnologisch nicht herstellbar sind. Auch hier fallen die möglichen Anwendungen in die Bereiche der Biotechnologie, Medizin und Diagnostik.

Die wesentlichen Vorteile der RNA-Technologien beinhalten, daß die gewünschten Moleküle in vitro, d.h. also entkoppelt von zellulär bedingten Regulationen, erstellt werden können. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz von in vitro Evolutionsstrategien die Entwicklung von neuartigen Wirkstoffen, auf die sich die Natur bei ihrer natürlichen Evolution noch nicht einstellen konnte.

Langfristig wollen wir durch Kombination von Strukturcharakterisierungen (Röntgenstrukturanalyse und NMR-Spektroskopie) und der Bioinformatik Methoden entwickeln, mit denen RNA- und Protein-Moleküle mit bestimmten Eigenschaften vorausgesagt werden können. Diese Moleküle können dann mit Syntheseautomaten reproduzierbar in größeren Mengen erstellt werden.

Die von uns angestrebte Entwicklung der RNA-Technologien setzt voraus, daß die einzelnen Teilbereiche (Abb. 1) koordiniert in verschiedenen Arbeitsgruppen durchgeführt werden. Im einzelnen werden von uns folgende Schwerpunkte erforscht:

RNA Strukturforschung (Siegfried Lorenz)

Da die dreidimensionalen Strukturen von RNA-Molekülen bisher nur wenig erforscht wurden, werden mit diesem Teilvorhaben exemplarisch für andere RNA-Moleküle die Strukturen der ribosomalen 5S RNAs und deren Proteinkomplexe mit chemischen, biochemischen und biophysikalischen Methoden (Röntgenstrukturanalyse, NMR-Spektroskopie) untersucht.

Chemische RNA-Synthesen

Für das gesamte Vorhaben unseres Projektbereiches ist die Entwicklung eines Potentials für chemische RNA-Synthesen unbedingt erforderlich. Aus diesem Grund besteht seit 1981 eine sehr enge Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Herrn PD Dr. Rolf Bald (Institut für Biochemie, FUB).

Bioinformatik (Thomas Specht)

Die Methoden der Bioinformatik (Molecular Modelling, Mustererkennung mittels neuronaler Filter) werden zur strukturellen und funktionellen Charakterisierung von RNA-Molekülen und RNA-Proteinkomplexen zum Einsatz gebracht. Darüber hinaus sollen mit diesen Methoden strukturelle Motive für RNA:RNA und RNA:Protein-Interaktionen definiert werden, um diese Kenntnisse für das Design von neuen Ribozymen und hochaffinen RNAs einzubringen. Innerhalb dieses Projektbereichs haben wir die Berlin RNA-Data Bank gegründet, in der derzeitig die Sequenzen von über 1200 5S rRNA-Sequenzen gespeichert sind.

Aptamere und Ribozyme (Jens P. Fürste)

Die Zielsetzung dieses Projektbereichs ist die Entwicklung neuer Wirkstoffe und Nachweisverfahren. Zur Anwendung kommt die in vitro-Evolution. Mit diesem Verfahren können Nukleinsäuren mit gewünschten Eigenschaften aus einer kombinatorischen Bibliothek von bis zu 1015 verschiedenen Sequenzen identifiziert werden. Solche Moleküle können dann in Analogie zu monoklonalen Antikörpern als spezifische Nachweisreagenzien eingesetzt werden. Der Vorteil dieser hochaffinen RNA- oder DNA-Moleküle gegenüber den Antikörpern besteht in der Möglichkeit, die Nukleinsäuren in großer Menge und hoher Reinheit chemisch darzustellen. Zudem besteht die Möglichkeit, Modifikationen bei der chemischen Festphasensynthese direkt einzuführen.

In einer weiteren Zielsetzung werden katalytisch aktive Ribonukleinsäuren (Ribozyme) untersucht. Für den späteren Einsatz dieser Moleküle ist es notwendig, Parameter wie Nukleasestabilität, Spaltungseffizienz und Spezifität zu optimieren. Mit der Entwicklung sequenzspezifischer Ribozyme, die als Endoribonukleasen gegen zelluläre mRNAs und virale RNA-Moleküle gerichtet sind, eröffnen sich neue Perspektiven für den biochemischen und pharmakologischen Einsatz von Ribooligonukleotiden (Abb. 2).

Entwicklung neuartiger Ribozyme (Andres Jäschke)

Mit diesem Projektbereich wird die Erforschung neuer katalytischer Eigenschaften von Ribonukleinsäuren durchgeführt. Hierbei werden Methoden erforscht, um aus großen, kombinatorisch generierten RNA-Pools Moleküle zu isolieren, die solche Reaktionen katalysieren, wie sie sowohl in der Biochemie als auch in der Organischen Synthese von großer Bedeutung sind. So untersuchen wir, ob RNA in der Lage ist, die Synthese ihrer eigenen Bausteine, der Nukleotide, aus einer Pyrimidinbase und einem aktivierten Zuckerphosphat zu katalysieren. Ein weiteres Teilprojekt ist die stereochemische Kontrolle von Ringschlußreaktionen durch RNA. Hierbei untersuchen wir, ob und wie gut RNA in der Lage ist, analog zu Proteinenzymen bestimmte Übergangszustände gegenüber anderen bevorzugt zu stabilisieren und dadurch die Produktverteilung zu beeinflussen. Zukünftig werden wir uns außerdem verstärkt mit der Katalyse von Redoxreaktionen durch RNA sowie strukturellen Grundlagen der RNA-RNA-Wechselwirkung beschäftigen.

RNA-Protein-Wechselwirkungen (Corinna Lippmann)

Am Beispiel des Elongationsfaktors Tu werden mit diesem Teilprojekt posttranslationale Modifikationen prokaryontischer Proteine untersucht. Die von uns erstmalig beschriebene reversible Phosphorylierung des Elongationsfaktors Tu (EF-Tu), Modellprotein für Struktur-/Funktionsbeziehungen Guanin-Nukleotid-bindender Proteine, ist ein neuer, in der prokaryontischen Proteinbiosynthese bisher völlig unbekannter Mechanismus. Die vollkommene Konservierung der Phosphorylierungsstelle - auch in Eukaryonten - deutet auf eine universelle Funktion dieser Regulation hin. Es konnte festgestellt werden, daß die Phosphorylierung am Threonin 382 stattfindet und während eines jeden Elongationszyklus auftritt. Die Modifizierung initiiert durch den induzierten Strukturwechsel die Ablösung des EF-Tus vom translatierenden Ribosom. Darüber hinaus wird in diesem Bereich die Struktur und Funktion der H19 RNA mit ihren Proteinkomplexen untersucht. Da die H19 RNA für einige Tumoren als Tumormarker dient, beinhalten diese Arbeiten für die Zukunft die Entwicklungen neuer Methoden für die Diagnostik und Therapie von Tumorerkrankungen.

Proteinbioreaktor (Wolfgang Stiege)

In diesem Forschungprojekt sollen in vitro, also im "Reagenzglas" natürliche, modifizierte und artifizielle Proteine in präparativem Maßstab hergestellt werden (Abb. 3). Für die Synthese werden die sehr effizienten Reaktionen eingesetzt, mit denen lebende prokaryontische und eukaryontische Zellen in ihrem Stoffwechsel normalerweise große Mengen tausender verschiedener Proteine herstellen. Bei der in vitro-Reaktion wird die Synthese durch die Zugabe einer entsprechenden Matrize (mRNA oder DNA) so programmiert, daß nur ein einziges gewünschtes Produkt entsteht. Darüber hinaus ist es mit dieser Technologie möglich, ganz gezielt Veränderungen in das Protein in Form anderer natürlicher, isotopenmarkierter und sogar modifizierter Aminosäuren einzubauen. Mit diesen Möglichkeiten stellt die zellfreie Proteinbiosynthese eine neue Schlüsseltechnologie dar, deren zukünftige Anwendungen in der Biotechnologie, der Biochemie und der medizinischen Therapie und Diagnostik als sehr groß eingeschätzt werden.


Abb. 1. Wissenschaftliche Voraussetzungen und Ziele der RNA-Technologien.


Abb. 2. Schematische Darstellung der Strategie, mit der ein Hammerhead-Ribozym zur gezielten Inaktivierung einer zellulären mRNA eingesetzt werden soll. Das Ziel-RNA-Molekül (mRNA) ist mit der Sequenz ....NNNNNGUXNNNN.... dargestellt, wobei N für eines der vier Nukleotide und X für A, C oder U steht. Das Hammerhead-Ribozym schneidet die mRNA-Sequenz hinter dem X der GUX-Sequenz.


Abb. 3. Schematische Darstellung des Proteinbioreaktors, mit dem in vitro die Synthesen von Proteinen ermöglicht werden. Das Prinzip des Proteinbioreaktors basiert auf der kontinuierlichen Abführung des synthetisierten Proteins und der verbrauchten Energiekomponenten (AMP, GDP) durch eine Membran. Gleichzeitig müssen dem System neue Energiekomponenten (ATP, GTP) und die für das Protein notwendigen Aminosäuren zugeführt werden. Das Reaktionsgefäß des Proteinbioreaktors ist in A und die gesamte Anlage in B der Abbildungen wiedergegeben.

Literaturliste

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Weitere Verweise


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© 1996, Redaktionsschluß: 1996-08-01.