Die Grenzen zwischen den traditionellen Fachbereichen verschwimmen in den modernen Naturwissenschaften immer mehr. Oft ist interdisziplin\u00e4re Zusammenarbeit notwendig, um komplexe Prozesse oder biomolekulare Fragestellungen zu untersuchen. Das ist auch der zentrale Aspekt der sogenannten Chemischen Biologie, die die Anwendung chemischer Stoffe, Methoden und Werkzeuge auf biologische Systeme und Fragestellungen beinhaltet. Die M\u00f6glichkeiten reichen dabei von der chemischen Synthese von biologisch wirksamen Stoffen bis hin zur gezielten chemischen Modifikation von Biomolek\u00fclen.<\/p>\n
Die ganzheitliche Herangehensweise der Chemischen Biologie bietet im Bereich der Grundlagenforschung neue Ans\u00e4tze, um biologische Vorg\u00e4nge auf chemischer Ebene zu manipulieren und zu untersuchen. Dabei kommen h\u00e4ufig niedermolekulare Verbindungen, sogenannte \u201esmall molecules\u201c zum Einsatz, die mit Hilfe der Synthetischen Chemie gezielt designt oder in biochemischen und zellbasierten Screenings von gro\u00dfen Molek\u00fcldatenbanken identifiziert werden.<\/p>\n
Die Molek\u00fclwerkzeuge k\u00f6nnen vielf\u00e4ltige Wirkungen auf Zellen und Proteine haben, beispielsweise spezifisch an aktive Proteine binden und so deren Aktivit\u00e4t nachweisen, die chemischen Eigenschaften eines Proteins ver\u00e4ndern oder seine Lokalisation sichtbar machen. Sie k\u00f6nnen sowohl in vitro als auch in vivo eingesetzt werden und zeichnen sich vor allem durch ihre schnelle und oft reversible Wirkung aus, die eine langwierige Vorbereitung wie bei RNAi oder der genetischen Manipulation von Zellen \u00fcberfl\u00fcssig macht (s. Artikel \u201eChemische Werkzeuge f\u00fcr die Zellteilungsforschung<\/a>\u201c).<\/p>\n Solche funktionalen Molek\u00fcle sind nat\u00fcrlich auch f\u00fcr die Pharmaforschung sehr interessant. Eine Substanz, die sich in der Grundlagenforschung als Inhibitor f\u00fcr ein bestimmtes Zellteilungsprotein herausstellt, kann sich beispielsweise als potenzielles Krebstherapeutikum eignen, wenn das betreffende Protein in die Tumorentstehung involviert ist. Die Chemische Biologie hat damit auch eine gro\u00dfe wirtschaftliche Relevanz.<\/p>\n Ein weiteres Werkzeug der Chemischen Biologie sind die sogenannten nicht-nat\u00fcrlichen bzw. k\u00fcnstlichen Aminos\u00e4uren. Im Gegensatz zu den 20 kanonischen Aminos\u00e4uren, aus denen Proteine normalerweise aufgebaut werden, kommen diese k\u00fcnstlichen Aminos\u00e4uren in der Natur nicht vor, sondern werden im Labor erzeugt. Sie k\u00f6nnen dabei mit bestimmten chemischen Funktionen ausgestattet werden, beispielsweise einer Fluoreszenz-Markierung oder funktionellen Seitenketten, die sich mit anderen Molek\u00fclen verkn\u00fcpfen lassen. Das macht sie zu einer Art Universalwerkzeug f\u00fcr Protein-Engineering, mit dem die vorhandenen Eigenschaften eines Proteins ver\u00e4ndert und verbessert oder ganz neue Funktionen eingef\u00fchrt werden k\u00f6nnen (s. Artikel \u201eMarina Rubini erforscht mit Leidenschaft Proteinfaltung und -design<\/a>\u201c).<\/p>\n Meist werden zur Expression der k\u00fcnstlichen Aminos\u00e4uren Bakterien verwendet. Da es keine nat\u00fcrlichen Basentripletts gibt, die f\u00fcr diese Aminos\u00e4uren codieren, muss zuerst der genetische Code der Bakterien erweitert werden, um sie in die nat\u00fcrliche Proteinbiosynthese einzuschleusen. Das ist beispielsweise \u00fcber die gezielte Unterdr\u00fcckung eines Stopcodons in der mRNA m\u00f6glich, sodass das entsprechende Basentriplett nicht das Ende der Proteintranslation bewirkt, sondern als Signal f\u00fcr den Einbau der gew\u00fcnschten Aminos\u00e4ure dient.<\/p>\n Um das zu erm\u00f6glichen, muss au\u00dfer der k\u00fcnstlichen Aminos\u00e4ure auch eine spezielle, passende Transfer-RNA (tRNA) als Adaptermolek\u00fcl eingebracht werden, die den Einbau der Aminos\u00e4ure am Ribosom vermittelt, sowie ihre zugeh\u00f6rige Aminoacyl-tRNA-Synthetase, die die tRNA mit der Aminos\u00e4ure bel\u00e4dt. Durch Mutation der DNA-Sequenz k\u00f6nnen dann an den gew\u00fcnschten Stellen Stopcodons erzeugt werden, sodass ein ortsspezifischer Einbau der nicht-kanonischen Aminos\u00e4ure m\u00f6glich ist (s. Artikel \u201eRotes Licht beleuchtet Regulationsmechanismen der Genexpression<\/a>\u201c).<\/p>\n Enzyme sind zentraler Bestandteil vieler Laboranwendungen und biotechnologischer Methoden, da sie den Ablauf bestimmter chemischer Reaktionen in biologischen Systemen oder auch im Reagenzglas katalysieren und damit oft erst m\u00f6glich machen. Molekularbiologische Standardmethoden wie die Polymerasekettenreaktion, die Klonierung oder Produktion rekombinanter Proteine sind nur Beispiele f\u00fcr die Vielzahl m\u00f6glicher Anwendungen.<\/p>\n So vielf\u00e4ltig die theoretischen Einsatzm\u00f6glichkeiten auch sind, so waren sie in der Vergangenheit doch meist durch die nat\u00fcrliche Variation der Enzyme beschr\u00e4nkt. Diese funktionieren oft nur unter den richtigen \u00e4u\u00dferen Bedingungen, zum Beispiel einer bestimmten Temperatur, oder setzen nur ein bestimmtes Substrat um. Mit Hilfe der Kombination von molekularbiologischen und chemischen Methoden ist die Entwicklung neuer Enzyme aber durchaus m\u00f6glich. Durch Mutagenese und Selektion oder molekulare Modellierung werden dabei ma\u00dfgeschneiderte Enzyme f\u00fcr neuartige Anwendungen entwickelt, die beispielsweise komplexe Syntheseprozesse gezielt und unproblematisch im Labor erm\u00f6glichen (s. Artikel \u201eVon der Struktur zum Mechanismus\u201c<\/a>).<\/p>\n Nicht nur in der Forschung, auch in der akademischen Ausbildung wird diese neue Orientierung der Wissenschaft zunehmend ber\u00fccksichtigt. So bieten bereits einzelne Hochschulen in Baden-W\u00fcrttemberg entsprechend spezialisierte Bachelor- und Master-Studieng\u00e4nge an, wie beispielsweise \u201eChemische Biologie\u201c am Karlsruher Institut f\u00fcr Technologie oder \u201eLife Science\u201c an der Universit\u00e4t Konstanz. In Konstanz bildet die Chemische Biologie sogar einen Forschungsschwerpunkt der Universit\u00e4t, mit eigener Graduiertenschule f\u00fcr die Doktorandenausbildung sowie einem eigenen Forschungsgeb\u00e4ude (s. Artikel \u201eNeues Zentrum f\u00fcr \u201eChemische Biologie\u201c in Konstanz<\/a>\u201c und \u201eInterdisziplinarit\u00e4t schon bei der Betreuung\u201c).<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Die Grenzen zwischen den traditionellen Fachbereichen verschwimmen in den modernen Naturwissenschaften immer mehr. Oft ist interdisziplin\u00e4re Zusammenarbeit notwendig, um komplexe Prozesse oder biomolekulare Fragestellungen zu untersuchen. Das ist auch der zentrale Aspekt der sogenannten Chemischen Biologie, die die Anwendung chemischer Stoffe, Methoden und Werkzeuge auf biologische Systeme und Fragestellungen beinhaltet. 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Gezieltes Enzymdesign erzeugt neue Werkzeuge f\u00fcr die Biotechnologie<\/h3>\n
\n\u201eDie Natur hat Polymerasen nicht f\u00fcr moderne Anwendungen zum Beispiel in der molekularen Diagnostik evolviert\u201c, erkl\u00e4rt Andreas Marx, Professor f\u00fcr Organische Chemie \/ Zellul\u00e4re Chemie und Koordinator der Graduiertenschule Chemische Biologie an der Universit\u00e4t Konstanz (s. Artikel \u201eAndreas Marx – \u201eChemische Biologie\u201c der DNA-Polymerasen\u201c<\/a>).<\/p>\nInterdisziplin\u00e4re Studieng\u00e4nge f\u00fcr die Forscher der n\u00e4chsten Generation<\/h3>\n