Labor im Weltraum
Experimente mit Naturstoffen an Bord der Nasa-Flüge
Von Silvia Sepúlveda-Boza
Silvia Sepúlveda-Boza (Foto: privat).
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Anfang 1980 begannen NASA-Wissenschaftler mit den Experimenten zur Proteinkristallisierung in Schwerelosigkeit. Es ist ihnen gelungen, aus einigen Proteinen sehr schöne, große und perfekte Kristalle zu erhalten, was auf der Erde nicht immer möglich ist. Gute Kristalle braucht man aber zur Strukturaufklärung.
Bei den Proteinen handelt es sich um Makromoleküle, die aus hunderten von Aminosäuren bestehen. Deswegen ist es schwierig, eine geordnete Struktur (Kristalle) dieser Substanzen zu erhalten, insbesondere wenn man versucht, die Kristallisierungsprozesse auf der Erde durchzuführen.
Während der Kristallisierungsprozesse sind insbesondere zwei Phänomene auf Grund der Schwerkraft zu beobachten:
- Eine Seite der Kristalle wird immer flach.
- Es wird eine Interferenzstörung in der Kristallisierungslösung produziert, was die Bildung weiterer geeigneter Kristalle aus den Proteinen verhindert.
In der Schwerelosigkeit kommen diese beiden Phänomene nicht vor. Deswegen haben es NASA-Wissenschaftler geschafft, einige Proteine in einer Weise zu kristallisieren, wie es auf der Erde nicht möglich ist. Einige der erhaltenen Kristalle waren allerdings nicht groß genug für weitere Studien, weil der Kristallisierungsprozess in der Schwerelosigkeit sehr langsam verläuft und die Experimente im Weltraum zu Beginn in der Regel nur 14 bis 16 Tage gedauert haben. Heutzutage hat man die Möglichkeit, im Labor der Internationalen Raumstation ISS die Proteine so lange stehen zu lassen, bis die Kristalle groß genug sind.
Proteine besitzen unterschiedliche Funktionen in unserem Organismus. Sie können unter anderem als Transportproteine, Hormone und Biokatalysatoren (Enzyme) wirken. Die Hemmung von Proteinen (Zielmolekülen) ist die Basis für die Entwicklung neuer Medikamente. Um das zu erreichen, ist es nicht nur erforderlich, die dreidimensionale Proteinstruktur genau zu kennen, sondern auch zu untersuchen, wie die Interaktion zwischen Proteinen (Enzymen) und ihrem endogenen Substrat sowie von Enzym-Hemmern (Medikamenten, Drogen) funktioniert. Für eine solche Analyse ist ein geeigneter Kristall aus dem Komplex zwischen Protein-Substrat und -Hemmer erforderlich, anhand dessen dann eine Röntgenstrukturanalyse beziehungsweise Computermodelling- Studien durchgeführt werden können.
In Lateinamerika gibt es ungefähr 18 Millionen Menschen, die an der Chagas-Krankheit leiden. Von diesen sterben jedes Jahr etwa 60.000; weitere 250.000 werden jährlich neu infiziert. Zurzeit gibt es keine Medikamente für die Behandlung von chronisch kranken Patienten. In der akuten Phase können Benznidazol und Nifurtimox verwendet werden. Beide Medikamente sind lebertoxisch.
Im Weltraum lassen sich Kristalle in einer Weise herstellen, wie es auf der Erde nicht möglich ist. Hier: Kristallisiertes Humaninsulin (Foto: privat). Hier klicken für größeres Bild.
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Die Chagas-Krankheit wird verursacht durch den Parasiten Trypanosoma cruzi, der in 80 Prozent der Fälle durch die Bisswunde der Raubwanze (vinchuca, chinche), teilweise aber auch durch Bluttransfusionen, in den Körper gelangt. Im Allgemeinen verläuft die Infektion während der ersten fünf bis zehn Jahre ohne spezielle Anzeichen. In dieser Zeit vermehren sich die Parasiten in Herz, Leber, Speiseröhre, Dickdarm und, in seltenen Fällen, im Gehirn. Zehn bis zwanzig Jahre später sterben circa 15 Prozent der infizierten Personen, häufig an Herzversagen.
1996 wurde das erste ärztliche Experiment von Wissenschaftlern aus Chile und Costa Rica an Bord der Columbia, Mission STS-75, im Weltraum durchgeführt mit dem Ziel, neue Medikamente gegen die Chagas-Krankheit zu entwickeln. In diesem ersten Experiment wurde versucht, bestimmte Proteine aus dem Trypanosoma cruzi zu kristallisieren.
Bereits 1993 hatte ich zusammen mit Professor Heiner Schirmer und Professorin Luise Krauth- Siegel (Universität Heidelberg) mit Studien von Naturstoffen als möglichen Hemmern von Trypanothion-Reduktase aus Trypanosoma cruzi (Chagas), Glutathion-Reduktase aus Plasmodium falciparum (Malaria-Krankheit) und menschliche Glutathion-Reduktase (Kontroll) begonnen. Die Strukturaufklärung der isolierten Pflanzenverbindungen hat meine Arbeitsgruppe in Kooperation mit Professor Eberhard Breitmaier (Universität Bonn) durchgeführt.
Kristallisiertes Rinderinsulin (Foto: privat). Hier klicken für größeres Bild.
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Einerseits ist bekannt, dass die Mehrheit der an Chagas leidenden Personen in Armut lebt und sich deswegen keine teuren Medikamente leisten kann. Andererseits bietet uns die Biodiversität Südamerikas zahlreiche natürliche Quellen für die Entwicklung neuer Medikamente. Deswegen wurden neben den Proteinen verschiedene Extrakte aus tropischen Pflanzen, die in der Volksmedizin gegen parasitäre Krankheiten verwendet werden, im All als mögliche Hemmer der Trypanosoma cruzi-Enzyme getestet. Dabei fanden wir heraus, dass der methanolische Extrakt aus dem Baum Bursera simaruba ("nackter Indianer") in der Konzentration von einem Mikrogramm pro Milliliter die Enzyme sehr gut hemmt. Von diesem methanolischen Extrakt wurden Trimere, Tetramere und Olygomere von dem Flavonoid Catechin isoliert. Andere Pflanzenextrakte, die die Enzyme hemmen, enthalten ebenfalls ähnliche Derivate von Catechin. Studien auf der Grundlage von Computermodellierung ergaben, dass Trimere oder Tetramere von Catechin sehr gute Hemmer von Reduktasen sein könnten.
In-vivo-Experimente haben gezeigt, dass der methanolische Extrakt aus der Bursera simaruba keine nennenswerte Senkung der Anzahl von Parasiten im Blut von Mäusen bewirkt. In-vitro-Studien mit Trypomastigoten von Trypanosoma cruzi haben wiederum gezeigt, dass die Catechinderivate sehr effektiv sind zur Verhinderung der Parasitenbewegung. Inzwischen hat man verschiedene Proteine von Trypanosoma cruzi, Reduktasen und glykolitische Enzyme zum Kristallisieren in den Weltraum gesandt.
Um Medikamente auf der Basis von Naturstoffen für die Behandlung von Patienten, die an der Chagas-Krankheit leiden, entwickeln zu können, ist es erforderlich, den Enzym-Hemmstoff- Komplex in das Labor der ISS zu senden. Nur so lassen sich gute Kristalle gewinnen, mit denen weitere notwendige Studien durchgeführt werden können.
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