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Die Gentechnik bekommt eine gewichtige Konkurrenz: die Proteomik. Das Wissen um die Wirkungsweise von Proteinen führt zu neuen Medikamenten und besseren Diagnosen.

Es ist erst zwei Jahre her, dass mehrere Staatspräsidenten und Nobelpreisträger gemeinsam auf einer Bühne standen, um den bedeutendsten Augenblick in der Geschichte der modernen Biologie zu feiern. Dank einer groß angelegten internationalen Zusammenarbeit waren die 3,1 Milliarden Bausteine des menschlichen Genoms schneller als geplant entziffert worden. Ex-Präsident Bill Clinton beschrieb das Ergebnis als die "wunderbarste Landkarte, die die Menschheit je angefertigt hat". Dieses Ereignis ist noch in frischer Erinnerung, und so mag es überraschen, dass eine noch weitreichendere Revolution in den Biowissenschaften bevorsteht, die Fortschritte in der Genomik aufnehmen und mit ihr zu einem noch größeren Ziel gelangen wird: Das Jahr 2003 dürfte das Jahr sein, in dem die Wissenschaft der Proteomik - also der Identifizierung von Proteinen und ihrer Funktion in einer Zelle - die Genforschung als neue Herausforderung der Biomedizin ablösen wird.

Dafür gibt es einen simplen Grund. Gene sind nichts weiter als Anleitungen zur Herstellung von Proteinen. Wie inzwischen jeder weiß, besteht genetisches Material oder Desoxyribonukleinsäure (DNS) aus langen Ketten von Anweisungen, geschrieben in einem chemischen Code. Die Instruktionen sind in einzelne Abschnitte, eben Gene, unterteilt. Jene Bausteine, die ein Gen in eine Kette von Aminosäuren übersetzen, bestimmen die Gestalt eines Proteins. Proteine sind die Schwerarbeiter in den Körperzellen, die sich um die Energiegewinnung aus Zucker, die Verständigung mit anderen Zellen und die Erhaltung der Zelle kümmern.

Fast alle Medikamente wirken auf Proteine und nicht auf Gene. Wer also Proteine versteht, besitzt den Schlüssel zu wirklich wirksamen neuen Medikamenten. Proteine können außerdem in der Diagnostik als sehr sensible Signale benutzt werden, denn erste Symptome einer Krankheit zeigen sich in der Zusammensetzung der Proteine des Körpers. Die Biomedizin steht und fällt mit dem Verständnis der Proteine, das aber ungleich schwieriger ist als die Entzifferung der Gene.

Warum? Zum einen gibt es weitaus mehr Proteine als Gene, zum anderen lässt sich ein Protein auf vielerlei Arten und Weisen modifizieren, nachdem es der Körper hergestellt hat. Es gibt schätzungsweise nur 35 000 menschliche Gene, aber wahrscheinlich mehr als eine Million Proteine. Sie haben verschiedene Aufgaben und werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten aktiv, je nachdem, was eine Zelle gerade tut. Verschiedene Sorten Zellen, etwa eine Leberzelle und eine Blutzelle, verfügen über unterschiedliche Proteine mit entsprechend differenzierten Aufgaben. Außerdem sind Proteine vor allem durch ihre Wechselwirkung mit anderen Proteinen aktiv, was zur Komplexität dieses Systems beiträgt.

Die Gene sind die Informationsträger, aber die Proteine bestimmen, was läuft

Zum besseren Verständnis ein einfacher Vergleich. Eine Eiste aller menschlichen Gene ist nichts anderes als ein Verzeichnis aller Einwohner einer Kleinstadt - ein Melderegister mit 35 000 Namen. Selbst wenn wir die Namen kennen, wissen wir nicht, was jede Person tut, wie sie miteinander umgehen, wie die Stadt und ihre Wirtschaft funktioniert. Und wir wissen ebenso wenig, wer die Bösewichter in der Stadt sind, das Pendant zu jenen Proteinen mit Fehlfunktion, die neutralisiert werden müssen, bevor sie zu Krankheiten führen. Genau deswegen muss die Biomedizin sich anstrengen, die ganze komplexe, miteinander verknüpfte Welt der Proteine zu verstehen.

Warum sollte man einen Durchbruch im Jahr 2003 erwarten? Die Antwort lautet: Technik. Eine ganze Reihe technischer Neuerungen erlaubt die schnellere und präzisere Identifizierung von Proteinen und die Erfassung ihrer Wirkungsweise. Die neuen Maschinen sind schlauer, schneller und kleiner, und die Daten, die sie produzieren, sind leichter verständlich. Das ist enorm wichtig, weil man von der Aufgabe eines Proteins auf den Zweck ähnlicher Moleküle schließen und so ihre genaue Funktion schneller bestimmen kann.

Die vielleicht spannendsten Fortschritte sind mit Antikörpern in so genannten Microarrays, mikroskopisch kleinen Testreihen, verbunden. Antikörper sind spezielle Moleküle, die sich an bestimmte Proteine binden. Jede Testreihe kann die Aktivitäten von kleinsten Mengen vieler verschiedener Proteine gleichzeitig erforschen. So lassen sich die Vorgänge in einem System verschiedener, wechselseitig wirkender Proteine überwachen. Zurzeit werden alte Techniken automatisiert, um diese Arbeit schneller und verlässlicher zu erledigen.

Es geht voran bei der internationalen Protein-Forschung

Zwei gute Beispiele dafür sind die Gel-Elektrophorese und die Massen-Spektrometrie, zwei gängige Methoden, um Proteine zu identifizieren. Eine Proteinmischung lässt sich sortieren, indem man sie auf eine Oberfläche aus Polyacrylamid-Gel aufträgt und sie unter Strom setzt, um sie damit langsam über die Testplatte zu ziehen. Da unterschiedliche Proteine unterschiedliche Größen und elektrische Ladung besitzen, bewegen sich einige schneller als andere, und die Mischung trennt sich.

Sobald man sie einmal getrennt hat, lassen sich die Proteine mit Enzymen in kleinere Stücke zerschneiden, die man in einen Masse-Spektrografen speisen kann. Diese Maschine schießt die Stücke durch ein Vakuum und misst, wie schnell sie sich bewegen. Die Geschwindigkeit hängt vom Gewicht der Bruchstücke ab und lässt Rückschlüsse auf die Aminosäuren zu, aus denen das Protein besteht. Alle diese Schritte, von der Trennung bis zur Berechnung der Bestandteile, können heute schnell von Robotern erledigt werden, die an Computer-Datenbanken gekoppelt sind.

Ein weiteres Indiz dafür, dass die Proteomik in Bewegung gerät, ist die wachsende Zahl weltweit zusammenarbeitender Forscher. Um viele Projekte kümmert sich die Human Proteome Organisation (HUPO), eine ähnliche Organisation wie die Human Genome Organisation (HUGO). Zu ihrem ersten Weltkongress im November 2002 kamen mehr als tausend Wissenschaftler nach Versailles. HUPO schafft gemeinsame Standards für Forschungsprojekte, sodass Wissenschaftler im großen Rahmen zusammenarbeiten können. So entsteht etwa eine Studie zum Leber-Proteom, bei der asiatische Länder einschließlich China die Führung übernehmen werden, unter anderem auch deshalb, weil hepatitis-bedingte Lebererkrankungen in Asien weit verbreitet sind. Außerdem wurde ein Blutplasma-Proteom-Projekt gestartet, das HUPO-Präsident Samir Hanash von der Universität Michigan als "Grundlage des ultimativen diagnostischen Werkzeugs" beschreibt. Blut zirkuliert durch den gesamten Körper - eine vollständige Liste aller Proteine im Blutplasma würde Hinweise auf den Gesundheitszustand in jedem Teil des Körpers geben.

Das kommende Jahr wird nur die Startphase der Proteomik sein. Eines nicht allzu fernen Tages werden wir eine komplette Landkarte der Funktionen von Millionen Proteinen in unserem Körper besitzen. Aber wie das Plasma-Proteom-Projekt illustriert, ist bereits die Katalogisierung von Proteinen wertvoll. Wenn man die unerwarteten technischen Fortschritte, die sich aus dem erbitterten Wettrennen um die Entzifferung des Genoms ergaben, als Beispiel nehmen, lässt sich erahnen, dass sich der Vorstoß in die Proteomik schneller auszahlen wird, als wir denken.