Wie dringen Peptide in die Zellen ein? Zwei Seiten derselben Medaille

Der einfache Transport von Medikamenten direkt in die Zelle ist eines der Hauptziele der Pharmaindustrie. Noch immer verfügen die Forscher auf molekularer Ebene weitgehend nicht über ein detailliertes Verständnis der Prozesse, die für den Transport von Substanzen in und aus den Zellen verantwortlich sind. Das Forschungsteam von Pavel Jungwirth vom Institut für Organische Chemie und Biochemie der Tschechischen Akademie der Wissenschaften (IOCB Prag) hat in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Tschechien und Deutschland einen bisher unbekannten Mechanismus entdeckt, mit dem kurze Peptide in Zellen eindringen und prinzipiell als Träger von Medikamentenmolekülen dienen können. Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden nun in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Die Fähigkeit positiv geladener kurzer Peptide, in Zellen einzudringen, wurde erstmals in der HIV-Forschung beobachtet, und heute wird sie allmählich eingesetzt, um Medikamente in Zellen zu transportieren. Bisher erfolgte dies jedoch in erster Linie in Form des so genannten vesikulären Transports, d.h. durch ein von der Zellmembran getrenntes und die transportierte Substanz umschließendes Transportvesikel, das sich nach Abschluss des Transports in die Zelle vom Vesikel lösen muss, was eine technische Komplikation für einen effizienten Transport des Medikaments darstellen kann. Es ist bekannt, dass Peptide auch passiv, d.h. unabhängig von der Energie aus der Zelle, in Zellen eindringen können, aber der genaue Mechanismus ist noch nicht beschrieben.

Mit Hilfe von Fluoreszenz- und Elektronenmikroskopie in Kombination mit molekularen Computersimulationen haben die Wissenschaftler nun einen bisher unbeschriebenen passiven Mechanismus entdeckt, um positiv geladene Peptide in Zellen zu transportieren. Sie basiert auf einer Membranfusion, die durch die transportierten Peptide induziert wird (siehe Bild). Damit haben die Wissenschaftler gezeigt, dass der Prozess des passiven Transports von Peptiden in Zellen und der weithin bekannte Prozess der Membranfusion – zum Beispiel durch Kalziumionen in Neuronen während der Übertragung von Nervenimpulsen – die gleiche mechanistische Basis haben. Im übertragenen Sinne sind sie zwei Seiten derselben Medaille.

„An dieser Stelle können wir nur über praktische Anwendungen für die Entdeckung spekulieren“, sagt Jungwirth. „Wenn sich dieser neu entdeckte Mechanismus jedoch als ausreichend robust erweist, könnten wir in Zukunft die Möglichkeit in Betracht ziehen, Wirkstoffmoleküle passiv in Zellen zu transportieren, ohne sie von Vesikeln befreien zu müssen, die sich dabei einfach nicht bilden.“

Jungwirth und sein Team konzentrieren sich seit langem darauf, die Gesetze der molekularen Prozesse in der Zellmembran aufzudecken, die bis heute weitgehend unbekannt sind. Ein besseres Verständnis der grundlegenden Prozesse innerhalb der Zellmembranen eröffnet allmählich neue Möglichkeiten, diese Prozesse zu steuern und damit denkbar effizientere Methoden, um Wirkstoffmoleküle an ihren Wirkort zu transportieren.

Mehr Informationen:
Christoph Allolio et al, Arginin-reiche, zelldurchdringende Peptide induzieren Membran-Multilamellarität und treten anschließend durch Bildung einer Fusionspore ein, Proceedings of the National Academy of Sciences (2018). DOI: 10.1073/pnas.1811520115115

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