Erkenntnisse Bremer Forscher zum Stoffaustausch von Zellen sollen bei Entwicklung neuer Medikamente helfen Was in den Bausteinen des Lebens geschieht

Nase, Mund, Gliedmaßen: Solche Körperteile fallen ins Auge, wenn ein Mensch einen anderen sieht. Was der Blick nicht verrät: Der Körper ist aus einer unvorstellbar großen Zahl kleiner Einheiten aufgebaut, den Zellen. In wissenschaftlichen Texten ist von ungefähr 50000 Milliarden, das heißt 50 Billionen, die Rede. Zwischen ihnen und ihrer Umgebung gibt es einen Austausch. Bei dessen Erforschung soll nun ein Verfahren helfen, das an der Jacobs University entwickelt wurde.
31.01.2014, 00:00
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Was in den Bausteinen des Lebens geschieht
Von Jürgen Wendler

Nase, Mund, Gliedmaßen: Solche Körperteile fallen ins Auge, wenn ein Mensch einen anderen sieht. Was der Blick nicht verrät: Der Körper ist aus einer unvorstellbar großen Zahl kleiner Einheiten aufgebaut, den Zellen. In wissenschaftlichen Texten ist von ungefähr 50000 Milliarden, das heißt 50 Billionen, die Rede. Zwischen ihnen und ihrer Umgebung gibt es einen Austausch. Bei dessen Erforschung soll nun ein Verfahren helfen, das an der Jacobs University entwickelt wurde.

Wie der Mensch, so bestehen auch andere Lebewesen aus Zellen: von einzelligen Bakterien und Pilzen bis zum Blauwal, der mehr als 30 Meter lang werden kann und das größte Tier ist, das sich bislang auf der Erde entwickelt hat. Im menschlichen Körper sterben laufend Zellen ab und werden durch neue ersetzt. Die Voraussetzung dafür ist die Fähigkeit von Zellen, sich zu teilen. Wie lange einzelne Zellen leben, hängt von ihrer Aufgabe beziehungsweise Art ab. Während beispielsweise Hautzellen schon nach wenigen Wochen erneuert werden, bringen es Knochenzellen auf ein Alter von mehreren Jahrzehnten. Die Zellen des Herzmuskels erfüllen ihre Aufgaben sogar lebenslang. Wie eng die Beziehung zwischen unterschiedlichen Lebewesen ist, zeigt nicht zuletzt das Beispiel der menschlichen Haut. Sie wird von Mikroorganismen wie Bakterien besiedelt, von denen manche Krankheitserreger fernhalten und so den Menschen schützen.

Neben den nützlichen gibt es auch Mikroorganismen, die krank machen können. So kann eine Lungenentzündung von Bakterien verursacht werden. Sind Menschen krank machenden Mikroorganismen ausgesetzt gewesen, können andere Mikroorganismen helfen, sie wieder gesund werden zu lassen. Bei der Behandlung von Infektionen werden Antibiotika eingesetzt, künstlich hergestellte oder natürliche Wirkstoffe aus Stoffwechselprodukten von Mikroorganismen, die andere Mikroorganismen im Wachstum hemmen oder abtöten.

Möglich ist all das, weil die lebenden Zellen keine abgeschlossenen Gebilde sind, sondern über ihre nur wenige millionstel Millimeter dicke Membran von außen Stoffe aufnehmen und ihrerseits Stoffe abgeben können. Es gibt in der Zellmembran mehrere Sorten von Kanälen, über die Nähr- und Wirkstoffe ausgetauscht werden. Dass Forscher mehr Wissen über die Austauschprozesse sammeln möchten, hat viele Gründe, so auch medizinische. So ist es zum Beispiel wichtig zu wissen, wann welche schädlichen Stoffe in Zellen eindringen und welche Arzneistoffe unter welchen Voraussetzungen dorthin gelangen können. Wie aber lässt sich der Weg von Stoffen beziehungsweise Molekülen, aus denen sie aufgebaut sind, ermitteln? Eine Möglichkeit besteht darin, Stoffe mithilfe von radioaktiven Markierungen zu identifizieren.

Auf den Spuren bestimmter Stoffe

Die Doktorandin Garima Ghale aus der Arbeitsgruppe des Chemie-Professors Werner Nau von der Jacobs University hat ein kostengünstigeres Verfahren entwickelt, mit dem sich Moleküle, die eine Zellmembran passieren, messen lassen. Dabei macht sie sich die Fluoreszenz zunutze, das Phänomen, dass manche Stoffe leuchten, wenn sie bestimmter elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt werden. Fluoreszierende Stoffe wandeln fürs menschliche Auge unsichtbare Strahlung in sichtbares Licht um.

Wie Professor Nau erläutert, wird bei dem an der Bremer Universität entwickelten Verfahren ein Fluoreszenzfarbstoff – eingekapselt in ein großes Molekül – in die Zellmembran eingebaut. Passierten bestimmte Stoffe beziehungsweise Moleküle die Zellmembran, verändere sich die Fluoreszenz. In einer Studie, deren Ergebnisse jetzt im Fachjournal „Angewandte Chemie“ veröffentlicht worden sind, haben die Wissenschaftler der Jacobs University das Verfahren bei einer Reihe von Stoffen untersucht. Unter diesen Stoffen waren Neurotransmitter, also Botenstoffe, die für das Zusammenspiel von Nervenzellen wichtig sind, Medikamente gegen Alzheimer und antimikrobielle Peptide, Stoffe, die schädliche Mikroorganismen abtöten.

Die Forschergruppe, zu der auch der Biophysik-Professor Mathias Winterhalter und der Chemiker Maik Jacob gehören, spricht in Verbindung mit dem Verfahren auch von einem Bewegungsmelder. Damit lasse sich bestimmen, ob ein schädlicher Stoff durch einen bestimmten Membrankanal gelangen könne. Könne ein Stoff beispielsweise in eine Bakterienzelle, nicht aber in eine menschliche Zelle eindringen, bedeute das, dass es sich möglicherweise um eine Substanz handele, die als neues Antibiotikum geeignet sei.

Bei der Untersuchung eines Proteins, das als Protamin bezeichnet wird und das eine wichtige Rolle bei der Verpackung der Erbinformation im Sperma spielt, haben die Forscher Hinweise gefunden, dass es antimikrobiell wirkt.

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