Under en virusinfektion, virus kommer in i kroppen och förökar sig i dess celler. Virus fäster sig ofta specifikt till värdcellernas sockerstrukturer, eller uppvisa karakteristiska sockerstrukturer på sin yta själva. Forskare vid Münchens tekniska universitet (TUM) har utvecklat en ny typ av proteinreagens för att identifiera biologiska sockerstrukturer, som kan blockera spridningen av en sjukdom i kroppen om den används för att blockera sockerstrukturerna i en cell eller en patogen.

Laboratoriet i regi av Arne Skerra, Professor i biologisk kemi, har sitt fokus på att designa artificiella bindningsproteiner för terapeutiska tillämpningar. Laboratoriets aktuella forskningsrön banar väg för utveckling av nya typer av bindande proteiner för biologiska sockerstrukturer, som spelar en betydande roll vid såväl cancer som infektionssjukdomar.

Känner igen biologiska sockerstrukturer

"Erkännandet av specifika sockermolekyler, eller så kallade kolhydrater, är av avgörande betydelse i många biologiska processer, " Prof. Skerra förklarar. De flesta celler bär en markör som består av sockerkedjor som är fästa på utsidan av cellmembranet eller till membranproteinerna, vilket gör det möjligt för kroppen att identifiera var dessa celler hör hemma eller om vissa celler är främmande. Patogener har också sina egna sockerstrukturer, eller så kan de binda till dessa.

Proteiner, som utför ett brett utbud av funktioner inom celler, har i allmänhet endast låg affinitet till sockerarter. Således, deras molekylära igenkänning utgör en utmaning. Anledningen:vattenmolekyler liknar sockermolekyler, vilket innebär att de i princip är dolda i cellernas vattenhaltiga miljö. Prof. Skerras forskargrupp satte sig därför för att designa ett artificiellt bindningsprotein med en speciell kemisk sammansättning som gör det lättare att binda till biologiska sockerstrukturer.

En borsyragrupp implementerad i ett protein som aminosyra

Aminosyror är byggstenarna i proteiner. I regel, naturen använder bara 20 aminosyror i alla levande organismer. "Med hjälp av de möjligheter som syntetisk biologi öppnar, vi har använt ytterligare en artificiell aminosyra, " rapporterar forskaren Carina A. Sommer.

"Vi har lyckats införliva en borsyragrupp, som utövar inneboende affinitet till sockermolekyler, in i ett proteins aminosyrakedja. Genom att göra detta, vi har skapat en helt ny klass av bindande proteiner för sockermolekyler, ", förklarar Sommer. Denna artificiella sockerbindande funktion är överlägsen naturliga bindningsproteiner (så kallade lektiner) både i styrka och med hänsyn till eventuella sockerspecificiteter.

"Den sockerbindande aktiviteten hos borsyra och dess derivat har varit känd i nästan ett sekel, " säger Prof. Skerra. "Det kemiska grundämnet bor är vanligt på jorden och har låg toxicitet, men hittills har i stort sett förblivit outforskade av organismer. "

"Genom att använda röntgenkristallografi, vi har lyckats riva upp kristallstrukturen i ett modellkomplex av detta artificiella protein, som gjorde det möjligt för oss att validera vårt biomolekylära koncept, " förklarar forskaren Dr. Andreas Eichinger.

Nästa steg:mot medicinsk tillämpning

Efter cirka fem års grundläggande vetenskaplig forskning, rönen från Prof. Skerras laboratorium kan nu tillämpas på praktiska medicinska behov. Prof. Skerra påpekar:"Våra resultat bör inte bara användas för att stödja den framtida utvecklingen av nya kolhydratligander inom biologisk kemi, men bör också bana väg för att skapa medel med hög affinitet för att kontrollera eller blockera medicinskt relevanta sockerstrukturer på cellytor. "

Ett sådant "blockerande medel" skulle kunna användas för tillstånd där stark celltillväxt är uppenbar eller när patogener fäster sig till celler, till exempel inom onkologi och virologi. Om vi ​​lyckas blockera den sockerbindande funktionen och bromsa utvecklingen av en sjukdom, detta skulle ge patientens immunsystem tillräckligt med tid för att mobilisera kroppens naturliga försvar.