Seit der Entstehung der ersten lebenden Zellen vor rund 3,5 Milliarden Jahren hat sich das Leben auf unserem Planeten stetig weiterentwickelt. Im Laufe der Zeit sind dabei nicht nur die Baupläne der Organismen immer komplexer geworden, auch auf der Ebene der Zellen und des Stoffwechsels hat die Evolution zu immer neuen molekularen Werkzeugen geführt. Mutation und Selektion brachten dabei vor allem bei den Proteinen, den “Arbeitspferden” der Zellmaschinerie, immer effektivere Formen hervor. Genau dieses Prinzip der Evolution auf der zellulären Ebene haben sich die drei jetzt ausgezeichneten Preisträger zunutze gemacht. Sie verwendeten die genetischen Mechanismen von Bauplanveränderung und Selektion, um maßgeschneiderte Enzyme sowie Peptide und Antikörper herzustellen – oder besser noch herstellen zu lassen.
Enzyme aus der Werkstatt der Natur
Eine Hälfte des diesjährigen Nobelpreises für Medizin geht an die US-Forscherin Frances Arnold. Sir forschte in den 1980er Jahren an der Herstellung von Enzymen. In allen Lebewesen und Zellen wirken diese Proteine als biologische Katalysatoren. Das Problem jedoch: Enzyme sind hochkomplex und können aus tausenden von Aminosäuren bestehen. Deren Art und dreidimensionale Anordnung bestimmt, welche Funktion ein Enzym ausübt. Gezielt ein Enzym von Grund auf so zu konstruieren, dass es die gewünschte chemische Reaktion vermittelt, ist mit rein chemischen Methoden daher extrem aufwändig und langwierig. Das erkannte auch Arnold und wählte einen neuen Ansatz: Sie versuchte nicht, ein bestehendes Enzym chemisch für ihre Zwecke anzupassen, sondern veränderte dessen biologischen Bauplan – die DNA.
Dafür löste sie zufällige Mutationen im Gencode für das Enzym Subtilisin aus, das unter anderem das Milcheiweiß Casein zerlegen kann. Ihr Ziel: Eine Variante dieses Enzyms zu schaffen, das diese Fähigkeit nicht nur in wässrigen Lösungen besitzt, sondern auch in einem organischen Lösungsmittel. Dafür schleuste Arnold die zufällig veränderten DNA-Baupläne in Bakterienzellen ein und ließ diese die Enzymvarianten produzieren. Dann testete Arnold, welche der veränderten Enzyme am effektivsten die von ihr gewünschte Reaktion katalysierten und setzte ihre “Zucht” gezielt mit diesen DNA-Varianten fort. Mit Erfolg: Sie identifizierte zehn Mutationen im Bauplan des Subtilisins, die dem Enzym die gewünschte Eigenschaft verliehen.
Seither ist die von Arnold entwickelte Methode der DNA-basierten, gelenkten Evolution neuer Enzymvarianten zu einer der Standardmethoden der Biochemie geworden. Heute werden damit unter anderem Enzyme für die Arzneimittelproduktion, für die chemische Industrie und auch für die Herstellung von Biokraftstoffen produziert. Viele zuvor nur durch giftige oder teure Reagenzien erreichbaren chemischen Reaktionsschritte lassen sich dadurch heute durch Enzyme und damit umweltfreundlicher und nach dem Vorbild der Natur durchführen.
