Molekülpost

Für die unsichtbare Verständigung auf kleinstem Raum sind Zellen die ungeschlagenen Spezialisten. Das machen sich nicht nur Tumoren zunutze – auch die Nachrichtentechnik hat die Kommunikationskünstler für ihre Zwecke entdeckt.

Ob beim Kontakt zwischen gleichen oder unterschiedlichen Zelltypen, in Kooperation oder in Konkurrenz, die Übertragung von Informationen läuft in rasantem Tempo und zumeist sehr präzise ab. Derartige „Zellgespräche“ zu verstehen, macht es möglich, sich korrigierend einzuschalten, wenn Fehlinformationen oder Störenfriede Schaden anrichten, aber auch, diese Art der natürlichen Kommunikation für andere, technische Zwecke zu erschließen.

Postdienst unter Beobachtung

Pausenlos durchlaufen Nachrichten in unfassbarer Zahl jeden funktionsfähigen Organismus. Könnte man den beteiligten Zellen zuhören – das gäbe ein mühsam zu verstehendes Stimmengewirr. Doch das lautlose Ineinandergreifen von Molekülen auf biochemisch gesteuerten Signalwegen hält ähnliche hohe Herausforderungen auch für eine gezielte Suche bereit. Prof. Dr. Anja Boßerhoff vergleicht die Arbeit an ihrem Lehrstuhl für Biochemie und Molekulare Medizin mit der Aufgabe, aus einem verwirrenden Rauschen die relevanten Botschaften herauszufiltern.

Als Datenträger der interzellulären Kommunikation können Moleküle untereinander Signale weitergeben, bis ihre Information die passende Andockstelle auf einer Zelloberfläche erreicht, oder unmittelbar von Membran zu Membran aktiv werden. In Anlehnung an den Postdienst ließe sich sagen, dass Briefträgerinnen und Briefträger im ersten Fall an der Tür eine Erkennungsmarke vorlegen müssen; im anderen Setting tauschen sich die Personen direkt an der Wand aus. Benachbarte Zellen eines Organs geben einander beispielsweise zu verstehen, dass sie am rechten Ort sitzen. Kann eine Zelle den Nachweis nicht führen, wird sie als heimatlos ausgestoßen und geht zugrunde.

Auf Vertrauenswürdigkeit bestehen die Zellen zu Recht, denn der Inhalt jeder akzeptierten Botschaft wird ausgeführt. Enzyme greifen die Nachrichten auf und sorgen dafür, dass der Code im Zellinneren vervielfältigt wird, ungeachtet der Folgen. Trotz aller Vorsicht ist die Aufnahme fehlerbehafteter Anweisungen ebenso wenig zu verhindern wie Missbrauch. So gelangen etwa Tumorzellen zu einer dominanten Position. Wenn sie sich selbst zu ungehemmtem Wachstum stimulieren und dafür Nährstoffe abziehen, gleicht ihr kommunikatives Verhalten dem der anderen Zellen. Nur die Regeln der Ausgewogenheit halten sie nicht ein.

Solchen Abweichlern, die sich der Täuschung bedienen, ist der menschliche Organismus nicht hilflos ausgeliefert. Von charakteristischen Anzeichen ausgelöste Alarmrufe veranlassen Hilfstrupps dazu, die Lücken in der Regulation zu überbrücken. „Muttermale bleiben harmlos, obwohl die Wachstumsbremse ihrer Pigmentzellen nicht ausreichend greift“, führt Anja Boßerhoff als Beispiel an. Schädliche Zellmutationen sind alles andere als selten, doch in der Regel funktioniert die Reparatur. „Auf der Haut lässt sich das beobachten, im Körperinneren bleibt der Erfolg meist unbemerkt.“ Welche Signale aber halten Pigmentzellen davon ab, vom beschleunigten Wachstum zum lebensbedrohlichen schwarzen Hautkrebs fortzuschreiten? Das bleibt, wie viele molekulare Wechselwirkungen, bisher ein Rätsel.

Wenn das körpereigene Reparatursystem versagt, sollen chemische Wirkstoffe die beschleunigte Zellteilung und das unmäßige Wachstum unterbinden. Zunächst spricht das maligne Melanom auf die Medikamente an und verkleinert sich deutlich. Doch nach mehreren Monaten setzt erneutes, sogar verstärktes Wachstum ein. „Eine Evolution unter den Hautkrebszellen“, erklärt Prof. Boßerhoff. „Die meisten reagieren auf die Stoppsignale von außen, doch einige wenige bleiben unbeeindruckt, was ihnen die Chance gibt, die Konkurrenz zu verdrängen. Im Verlauf der Behandlung gewinnen die resistenten Zellen im Tumor die Oberhand und vermehren sich dann umso erfolgreicher.“ Bei ihnen ist der Informationsträger, der das wachstumsfördernde Protein KRAS in Aktion setzt, nicht ausreichend mit sehr kleinen Anhängen versehen. In diese microRNA-Moleküle ist die Aufforderung verpackt, die Produktion des Proteins rechtzeitig einzustellen. Auch bei Leberkrebszellen fehlt es an dem Sicherheits-Datenpaket. Bisherige Therapeutika kommen dagegen nicht an.

Mit der Aufdeckung des Kommunikationsfehlers haben die Forschungsgruppen von Prof. Dr. Anja Boßerhoff, Dr. Dr. Peter Dietrich und Prof. Dr. Claus Hellerbrand am Institut für Biochemie gemeinsam neue Therapieansätze eröffnet: das Sicherheitssystem per Gentechnik wieder in Tumorzellen einzuschleusen, das enthemmte KRAS-Protein direkt auszuschalten oder spezielle Medikamente zuzuführen. „Ehemals tödliche Krebstypen ließen sich so in chronische Formen mit lohnender Lebensqualität überführen“, sagt Anja Boßerhoff voraus.

Aus dem Baukasten der Natur

Unabhängig davon, welche Botschaften von Zellen gesendet oder empfangen werden: Moleküle, zum Teil auch kleinere Partikel haben sich auf der Nano- und Mikroebene als ideale Zwischenträger erwiesen. Nach dem Vorbild der Natur ließen sich in diesem Größenbereich Signale weiterleiten, wenn leistungsfähige Steuerungssysteme für neue Ansätze in Biologie, Nanotechnik und Medizin gebraucht werden, etwa um einen Blutkreislauf oder eine Trinkwasseranlage per Miniatur-Roboter zu überwachen. Zur Entwicklung von synthetischen molekularen Kommunikationssystemen, die Elemente des Datentransports zwischen Zellen einbeziehen, etabliert sich derzeit ein völlig neuartiges Forschungsfeld in der Nachrichtentechnik, die molekulare Kommunikation.

Sollen Zellen direkt in synthetische Systeme eingebunden oder die Mechanismen ihrer Kommunikation nachgeahmt werden? „Beides“, antwortet Prof. Dr. Robert Schober. Der Leiter des Lehrstuhls für Digitale Übertragung koordiniert innerhalb der Emerging Fields Initiative (EFI) der FAU das Projekt „Molecular Communication Systems“. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Elektrotechnik, Biologie und Nanomedizin sowie den Materialwissenschaften und der Mathematik erarbeiten hier Möglichkeiten des Informationsaustauschs auf engstem Raum. Im Nano- und Mikrobereich sind elektromagnetische Wellen dafür ungeeignet, wie Prof. Schober erläutert. Selbst wenn sich Antennen entsprechend verkleinern ließen, würden Fehleranfälligkeit, Energiebedarf und extrem hohe Frequenzen dagegensprechen. Für Signalmoleküle sind solche Größenordnungen dagegen naturgegeben.

Die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler stellen sich äußerst komplexen Aufgaben. Sender, Informationsträger und Empfänger müssen eine verlässliche, beherrschbare Einheit bilden. Chemische Zusammensetzung und Form von Botenmolekülen sind ebenso wichtig wie ihre Konzentration und der Zeitpunkt, zu dem sie freigesetzt werden. Die Informationsträger ließen sich frei diffundierend in Flüssigkeiten einsetzen oder durch die Membranen aneinandergereihter Zellen schleusen. Sie könnten durch winzige Röhren zum Adressaten wandern oder gezielt einen Nanomotor innerhalb einer bakteriellen Zelle ansprechen. Ein einfaches Szenario regelt den Informationsfluss, indem Moleküle oder Partikel bei der Empfängerstation ankommen oder ausbleiben, parallel zu dem Code, der die Werte „Null“ und „Eins“ durch „Strom“ und „kein Strom“ repräsentiert.

Die Entwicklung von synthetischen molekularen Kommunikationssystemen basiert auf theoretischen Modellen. Von diesen ausgehend, entwerfen die Forscherinnen und Forscher dann geeignete Kommunikationsverfahren, die unter anderem so zugeschnitten sein müssen, dass sie Übertragungsfehler niedrig halten. Mithilfe von Experimentierplattformen, sogenannten „testbeds“, werden dann Details ausprobiert und überprüft. An der Professur für Mikrobiologie von Prof. Dr. Andreas Burkovski befasst sich Doktorandin Laura Grebenstein zum Beispiel mit Kolibakterien, die auf Lichteinfall hin Protonen abgeben. Zur Umwandlung von optischen Informationen in chemische Signale ist Escherichia coli eigentlich nicht befähigt. Das dafür zuständige Protein kommt bei Bakterien vor, die Fotosynthese ohne Chlorophyll betreiben. Werden E.-coli-Bakterien so verändert, dass sie dieses Protein produzieren, bleibt die chemische Energie noch zwischen einer inneren und einer äußeren Membran gefangen. Letztere muss per Ultraschall entfernt werden; erst dann wird aus E. coli eine Protonenpumpe. In einem Computer wird die Nachricht in Lichtsignalen codiert: Mithilfe von LED-Leuchten lässt sich die Wellenlänge optimal einstellen. „Zehn bis 15 Sekunden haben sich als günstige Beleuchtungszeit erwiesen“, sagt Laura Grebenstein. „In einem Ruheintervall von 30 Sekunden können sich die Zellen regenerieren.“ Der pH-Wert der in einer wässrigen Lösung gelagerten Bakterien – das Maß für eine saure beziehungsweise basische Umgebung – ändert sich bei der Protonenabgabe. Ein Detektor misst die Veränderung, sodass das empfangene chemische Signal von einem anderen Computer gelesen werden kann. So könnten beispielsweise Texte von einem Rechner auf einen anderen übertragen werden. In einem zweiten testbed, betreut von dem Nanomediziner Prof. Dr. Christoph Alexiou, werden magnetische Nanopartikel eingesetzt, die ursprünglich konzipiert wurden, um Wirkstoffe an Tumoren heranzuführen. Als Informationsträger werden sie in eine Röhre gepumpt und mittels einer zweiten elektronischen Pumpe in einer wässrigen Lösung in Bewegung gehalten. Durchqueren die magnetischen Teilchen die eingebaute Empfangsvorrichtung, passieren sie eine Spirale und lösen, proportional zur Konzentration, elektrische Signale aus, die mathematisch interpretierbar sind.

Auch wenn die künstlichen molekularen Kommunikationssysteme ihrem natürlichen Vorbild noch nicht das Wasser reichen können – je besser die Mechanismen im menschlichen Körper verstanden werden, desto mehr wird auch die Nachrichtentechnik davon profitieren.

FAU-Forschungsmagazin friedrich

Dies ist ein Beitrag aus unserem Forschungsmagazin friedrich. Die aktuelle Ausgabe nimmt Sie mit auf eine Entdeckungsreise ins „Verborgene“: Sie schaut auf für unser Auge unsichtbare, oftmals von uns unbemerkte und vor uns versteckte Dinge. Sie wirft aber auch einen Blick dorthin, wo wir gar nicht hinsehen wollen: auf Tabus.

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