NERVENGERÜST AUS DEM REAGENZGLAS - MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT
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wissen aus
Nervengerüst aus dem
Reagenzglas
Text: Andreas Knebl
Taubheit, Bewegungslosigkeit und
66 im schlimmsten Fall eine Querschnitts-
lähmung – die Durchtrennung einer
Nervenbahn hat oft bleibende Folgen.
Denn bei der Verletzung wird auch
die extrazelluläre Matrix beschädigt,
die den Neuronen Halt gibt. Tanja Weil
sie längere Zeit in einer Lösung her- peutischen Ansätzen zur Reparatur
und Christopher Synatschke, die
umstanden. Als die Forschenden um verletzter Nerven und hatte damals
am Max-Planck-Institut für Polymer- Tanja Weil die fragliche Lösung un- sein Büro auf demselben Flur wie
forschung in Mainz arbeiten, suchen tersuchten, stellten sie fest, dass sich Tanja Weil. Die kurzen Wege ermög-
einen Ersatz für das stützende Material, die Peptide darin nach einiger Zeit zu lichten einen regen Austausch, und so
und sie sind bereits fündig geworden. Fibrillen anordneten. Deren faserige entwickelten die beiden die Idee, die
Struktur bewirkte, dass die Peptide Peptidfibrillen als Rankgerüst für
klebrig wurden und sowohl dem Nervenzellen zu nutzen.
HI-Virus als auch der Wirtszelle Halt
boten. „In den Aufnahmen des
Rasterelektronenmikroskops konnte Ersatz für die
Tanja Weil ging der Sache auf den
Grund. Kollegen hatten eine rätsel-
man richtig sehen, wie sich die Zellen
an den Fibrillen festklammerten“, er-
stützende Matrix
hafte Beobachtung an einem Peptid zählt Weil. Mit dieser zufälligen Ent-
aus der Hülle des HI-Virus gemacht. deckung begann ein ganz neues For- Der Forschungsansatz war folgender:
Peptide bestehen aus Aminosäuren, schungsprojekt. Wenn sich Wirtszellen des HI-Virus
den Grundbausteinen aller Proteine, an den Peptidfibrillen festklammern
und erfüllen unzählige Funktionen Die Polymerchemikerin Tanja Weil war können, wäre es gut möglich, dass
in lebenden Organismen. Bei den
zu diesem Zeitpunkt an der Universi- auch Nerven daran Halt finden. Be-
Peptiden aus der HI-Virushülle stellte tät Ulm tätig, und ihre Beobachtung stätigte sich diese Annahme, könnten
sich die Frage, welche Rolle sie bei sprach sich schnell im Kreise ihrer die Peptidfibrillen verletzten Nerven
der Infektion von Wirtszellen spielen. Kolleginnen und Kollegen herum. dabei helfen zu heilen. Von selbst
Erste Tests zeigten, dass sich die Wir- Auch Bernd Knöll horchte auf. Der wachsen durchtrennte Nervenfasern
kung der Peptide veränderte, wenn Zellbiologe beschäftigt sich mit thera- zumeist nicht mehr zusammen, was
Max Planck Forschung · 1 | 2021
material & technik
Chemische Maßarbeit: Ein
Mainzer Max-Planck-Team
erzeugt im Labor gezielt Peptide,
die Netzwerke bilden.
Peptidstrukturen sollen die
Heilung von Nerven unterstützen.
F o t o: K at r i n Bi n n e r f ü r MPG
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Taubheit und Lähmung zur Folge ha- Ärzte, die beiden Nervenenden mit Makromolekülen“. Der Chemiker
ben kann. Ein tiefer Schnitt in die einander zu vernähen oder durch ein hatte bereits in verschiedenen inter-
Hand zum Beispiel kann dazu führen, Nervenstück zu verbinden, das sie an nationalen Arbeitsgruppen Erfah-
dass man einen Finger nicht mehr einer anderen Körperstelle entnom- rung mit Peptiden gesammelt. Als
spürt oder bewegen kann. Zur selbst- men haben. Der Ansatz von Bernd Postdoktorand und später Gruppen-
ständigen Heilung fehlt einem Nerv Knöll und Tanja Weil ist ein anderer. leiter übernahm er nun im Arbeits-
nach einer schweren Verletzung die Sie bauen darauf, dass Peptide, die in kreis von Tanja Weil die Verantwor-
nötige Unterstützung. Denn etwa bei die Wundstelle eingebracht werden, tung für das Kooperationsprojekt mit
einem Schnitt wird nicht nur der die extrazelluläre Matrix ersetzen Bernd Knöll. Zwei Jahre später mel-
Nerv beschädigt, sondern auch seine und so eine Regeneration der Nerven dete das Team einen ersten Erfolg:
extrazelluläre Matrix. Dieses kom- ermöglichen. Durch den Einsatz von Peptidfibrillen
plexe Proteingerüst gibt den Nerven war es den Forscherinnen und For-
Halt. Wenn es fehlt, entsteht eine Lü- Die Zusammenarbeit lief auch weiter, schern gelungen, die Regeneration
cke, welche die beiden Enden des ver- nachdem Tanja Weil als Direktorin verletzter Nerven zu verbessern.
letzten Nervs nicht überbrücken kön- ans Max-Planck-Institut für Polymer-
nen. Deshalb hilft derzeit nur eine forschung in Mainz gewechselt war. Tanja Weil und Christopher Synatschke
Operation, um den durchtrennten Dort stieß Christopher Synatschke zu sind sich einig, dass selbstorganisie-
Nerv zu heilen. Dabei versuchen ihrem Arbeitskreis „Synthese von rende Peptide wie die Sequenzen aus
Auf dem Weg zu einer neuen Therapie: Tanja Weil
und Christopher Synatschke suchen nach Peptidstrukturen,
mit denen sich Nervenschäden behandeln lassen –
langfristig vielleicht sogar Rückenmarksverletzungen.
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der HI-Virushülle der ideale Ersatz Netzwerke. Diese können Nervenfa- ob und, wenn ja, in welchem Maße
für die extrazelluläre Matrix sind. sern, die bis zu 20 Mikrometer dick die verschiedenen Peptidsequenzen
„Damit können wir die Natur imitie- sind, als Gerüst dienen. Zum Ver- zur Bildung von Fibrillen führen. In
ren“, sagt Christopher Synatschke. gleich: Ein menschliches Haar hat ei- Zusammenarbeit mit Bernd Knölls
„Wir erzeugen eine Struktur, welche nen Durchmesser von rund 50 Mik- Arbeitsgruppe brachten die Forschen-
der natürlichen Umgebung der Ner- rometern. den im nächsten Schritt die verschie-
ven nahekommt, gleichzeitig aber we- denen Materialien jeweils als dünne
sentlich einfacher ist.“ „Selbstorgani- Die Besonderheiten der SAP entstehen Schicht auf ein Glasschälchen auf.
sierend“ bedeutet, dass die Peptide aus dem Zusammenspiel der einzel- Darin kultivierten sie anschließend
sich ohne äußeren Einfluss zu größe- nen Bausteine. Die Peptide, mit de- Nervenzellen. Unter dem Mikroskop
ren Strukturen zusammenbauen – nen Christopher Synatschke arbeitet, beobachteten die Forschenden dann,
sich assemblieren, wie es im Fachjar- bestehen nur aus wenigen Aminosäu- ob die Zellen auf dem Untergrund
gon heißt. Manche dieser selbstassem ren; die Abfolge dieser Bausteine wird Halt fanden und, wenn ja, wie gut die
blierenden Peptide, kurz SAP, bilden als Sequenz bezeichnet. Jede dieser Nervenfasern wuchsen.
Fibrillen. Diese Fasern sind lediglich Aminosäuren hat bestimmte Eigen-
circa 10 Nanometer dünn und 0,1 bis schaften. So kann ein Baustein bei-
1 Mikrometer lang. Aus den Fibrillen spielsweise an der Oberfläche positiv
mancher SAP formen sich größere geladen sein, während der nächste hy-
drophob ist, das heißt wasserabwei-
send. Aus den Merkmalen der einzel- Auf den Punkt
nen Aminosäuren ergeben sich in der gebracht
Peptidverbindung völlig neue und
Durchtrennte Nervenbah-
nicht leicht vorhersagbare Eigen- nen heilen meist nicht von
schaften, wie zum Beispiel die Nei- selbst, da die extrazelluläre
gung, Fibrillen zu bilden. Matrix, die sie umgibt,
ebenfalls beschädigt ist.
Variantenreiche Am Max-Planck-Institut 69
für Polymerforschung
Peptidstrukturen ersetzen Forschende die
Gerüststruktur verletzter
Nerven durch Fibrillen
Um besser zu verstehen, wie Peptidse- bildende Peptide, damit die
quenz und Selbstorganisation zusam- Nervenenden wieder
menhängen, untersuchten Christo- zusammenwachsen können.
pher Synatschke und seine Kollegin- Bei Mäusen heilten durch-
nen und Kollegen zahlreiche Sequen- trennte Gesichtsnerven
zen. Ganz gezielt Peptide mit einer besser, wenn ihnen eine
gewünschten Abfolge von Aminosäu- Lösung mit selbstassem-
ren herzustellen, ist das Spezialgebiet blierenden Peptiden
(SAP) gespritzt wurde.
von Synatschkes Team. Am Ende der
Peptidsynthese erhalten die Wissen- Langfristig möchte das
schaftlerinnen und Wissenschaftler Forscherteam auch einen
SAP als Pulver, das sie in ein Lösungs- Weg finden, mithilfe der
mittel geben und mit Wasser vermi- SAP Nervenverletzungen
schen. Neben der Sequenz spielen beim Menschen zu heilen.
auch die Bedingungen in der Lösung
eine Rolle für das Verhalten der SAP.
Wenn die Forschenden verändern,
wie sauer oder basisch die Lösung ist
oder wie lange und bei welcher Tem-
peratur sie gelagert wird, dann än- Tanja Weil betont, wie wichtig diese
dern sich auch die Eigenschaften der grundlegenden Untersuchungen sind.
Struktur, die aus den SAP entsteht. Im Gegensatz zur hochkomplexen ex-
Seine Experimente startete Christo- trazellulären Matrix der Nerven sind
pher Synatschke mit 27 Sequenzen, die Peptidgerüste vergleichsweise
die auf dem 2011 entdeckten Peptid einfach aufgebaut. Aus diesem Grund
aus der HI-Virushülle basieren. Seine können die Forschenden wissen-
Arbeitsgruppe untersuchte zunächst, schaftliche Studien durchführen, die
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schnelle Fortschritte ermöglichen.
eine bessere Grundlage bieten. Doch Fibrillen anordnen. Damit fanden
„Da wir die Bausteine der SAP ken-
ein Blick auf alle 27 Sequenzen stellte Christopher Synatschke und Tanja
nen, können wir sie einzeln austau-
Christopher Synatschke vor ein Rät- Weil eine weitere entscheidende Ei-
schen und auf diese Weise die Eigen-
sel: Da gab es Peptidsequenzen, die genschaft, die SAP als Gerüst für
schaften verändern. Anschließend
positiv geladen und in hohem Maß Nerven mitbringen müssen.
können wir die Struktur genau unter-
Fibrillen bildend waren, aber den
suchen, die Wirkung der SAP im bio-
Nervenzellen in den Glasschälchen Die drei besten der 27 Kandidaten von
logischen System studieren und dar-
doch nicht als Gerüst dienten. Was Christopher Synatschke testete das
aus lernen.“
den Peptiden fehlte, fand das Mainzer Team um Bernd Knöll dann an leben-
Team erst in Zusammenarbeit mit den Mäusen, die durch eine Verlet-
Dabei fanden die Forschenden schnell Tuomas Knowles von der University zung des Gesichtsnervs die Kontrolle
mehrere Eigenschaften, die für die of Cambridge heraus: Knowles wurde über ihre Tasthaare verloren hatten.
Interaktion zwischen SAP und Ner- in den Infrarotspektren der verschie- An den Stellen, an denen die Nerven
ven wichtig sind. So interagieren SAP, denen SAP fündig. Seine detaillierte durchtrennt waren, injizierten die
deren Oberfläche elektrisch positiv Auswertung zeigte, dass die SAP, die Forschenden eine Lösung von SAP.
geladen ist, stark mit Nervenzellen. besonders als Nervengerüst geeignet Dann untersuchten sie über die nächs-
Wichtig ist zudem, wie viele der gelös- sind, relativ viele β-Faltblätter bilden. ten drei Wochen, wie sich die Nerven-
ten SAP sich zu Fibrillen aneinander- Diese Struktur der Aminosäureket- fasern regenerierten. Zunächst sahen
lagern. Ist dieser Anteil groß, eignen ten sieht auf molekularer Ebene wie sie keinen deutlichen Unterschied
sich die Peptide besonders gut als eine Ziehharmonika aus oder eben zwischen Mäusen, denen sie Peptide
Rankhilfe. Das Forschungsteam wie ein im Zickzack gefaltetes Blatt gespritzt hatten, und der Kontroll-
stellte darüber hinaus fest, dass SAP, Papier und beschreibt, wie sich die gruppe. Doch im weiteren Verlauf
die dickere Fasern bilden, Nerven einzelnen Peptidketten innerhalb der zeigte sich, dass die Nerven besser
heilten, wenn ein Peptidgerüst die
verletzte extrazelluläre Matrix er-
setzte. Eine Voraussetzung dafür war,
dass die Peptidstrukturen über den
70 gesamten Heilungsprozess als stabi-
les Gerüst in der Wundstelle blieben,
Heilsamer Halt: Die fluoreszenzmikroskopische Aufnahme obwohl sie biologisch abbaubar sind.
zeigt, wie sich eine Nervenzelle (grün) mit speziellen Proteinen (rot)
an aneinandergelagerte Nanofasern (violett) aus Peptiden heftet.
Verbesserte
Nervenfunktion
Den positiven Einfluss des Peptidge-
rüsts auf die Regeneration des Ge-
sichtsnervs belegten die Wissen-
Bild: B e r n d K nöll/MPI f ü r P oly m e r f or s c h u ng
schaftlerinnen und Wissenschaftler
anhand verschiedener Beobachtun-
gen: Im Gewebe der Mäuse wiesen sie
nach, dass die Nerven, die durch ein
Peptidgerüst unterstützt wurden,
besser zusammenwuchsen als die
Nerven von Mäusen aus der Kontroll-
gruppe. Dieses Ergebnis bestätigte
sich auch bei der Funktionskontrolle:
Die Mäuse, denen die Forschenden
eine Lösung aus Gerüste bildenden
Peptiden injiziert hatten, erholten
sich besser von der Verletzung und
konnten nach drei Wochen ihre Tast-
haare kontrollierter bewegen als die
anderen Tiere.
Die Versuche in den Glasschälchen und
an den Mäusen machten klar, dass die
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Wissenschaftlerinnen und Wissen-
schaftler mit den SAP ein ideales Ma-
terial gefunden haben. „Durch die
genaue Charakterisierung haben wir
für Chemie
ein Verständnis der grundlegenden
Zusammenhänge entwickelt“, sagt
und Life Sciences
Christopher Synatschke. „Darauf
wollen wir in Zukunft aufbauen.“ Zu-
sammen mit der Arbeitsgruppe ihres Von Chemikern für Chemiker –
Kollegen Tristan Bereau fahnden die
Forschenden nun im Computer nach Nutzen Sie das Netzwerk
Peptidsequenzen, die noch besser als der GDCh:
Nervengerüst geeignet sind als die
Sequenzen aus der HI-Virushülle. Stellenmarkt – Online und in
Mit neuen Ansätzen aus der Informa- den Nachrichten aus der Chemie
tik und mit der Rechenleistung mo- CheMento – das Mentoring
derner Computer können sie auf der Programm der GDCh für chemische
Suche nach den drei gewünschten
Nachwuchskräfte
Eigenschaften Millionen Möglichkei-
ten durchtesten, ohne Publikationen rund um die Karriere
aufwendige Versuche Bewerbungsseminare und
machen zu müssen – GLOSSAR
-workshops
die aussichtsreichsten Jobbörsen und Vorträge
Kandidaten prüfen sie Extrazelluläre
dann im Labor. „So be- Matrix
schleunigt sich der For- heißt der aus Proteinen
schungsprozess unge- und Kohlehydraten bestehen-
de Teil des Gewebes, in
mein“, sagt Tanja Weil. A nz e ige 71
dem Zellen eingebettet sind.
„Wir hoffen, dadurch Nervenzellen benötigen
sogar neuartige Se- die extrazelluläre Matrix,
quenzen zu finden, die um wachsen zu können.
kein Vorbild in der Na-
tur, aber spannende Ei- Selbstassemblierende
genschaften haben.“ Peptide (SAP)
sind kurze Aminosäureketten,
die von selbst größere Struk-
Auch mit Bernd Knöll turen wie etwa Fibrillen bilden.
steht schon das nächste
Forschungsprojekt an.
Denn nach den erfolg-
reichen Versuchen im
peripheren Nervensystem wagen die
Forscherinnen und Forscher jetzt den
Sprung ins zentrale Nervensystem.
Die Herausforderung, Nerven im
Gehirn und in der Wirbelsäule zu
heilen, ist deutlich größer, da sich hier
Nerven normalerweise gar nicht rege-
nerieren. Unfälle, bei denen der Na-
cken oder die Wirbelsäule schwer ver-
letzt wird, führen so oft zur Quer-
schnittslähmung. Gemeinsam wollen
Bernd Knöll, Tanja Weil und Chris-
topher Synatschke in den nächsten
Jahren einen Weg finden, die Peptid-
gerüste so abzuwandeln, dass sie auch
eine Heilung von Nervenschäden in
den zentralen Schaltstellen unseres
Körpers ermöglichen.
Gesellschaft Deutscher Chemiker
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