EffectNet — Molekulare Effekte

Molekulare Effekte

In-vitro-Effekte

Molekulare Wechselwirkungen mit Rezeptoren

Im Effect-Net-Konsortium übernimmt die Arbeitsgruppe Analytische Biochemie um Gerald Brenner-Weiß die Aufgabe, Testverfahren zum Nachweis von spezifischen Wechselwirkungen zwischen Rezeptoren und Substanzen zu etablieren.

Damit möchten die Wissenschaftler/innen eine Art Testbatterie aufbauen, um Substanzen, inklusive ihrer möglichen Transformationsprodukte und Metabolite auf ihre Eigenschaft hin zu untersuchen, sich an einen bestimmten Rezeptor zu binden. Die Ergebnisse lassen dann Rückschlüsse auf die möglichen Wirkungen dieser Substanz zu. Ausgangspunkt sind zunächst gut charakterisierte und zugängliche Rezeptoren wie z.B. die Gruppe der sogenannten Kernrezeptoren (u.a. Glucocorticoid-Rezeptor, PPARs, Vitamin-D-Rezeptor, usw.).

Hintergrund – Rezeptor-Bindung und chemische Identifizierung

In der Regel sind Rezeptoren die Andockstellen einer Zelle für spezifische Substanzen (Signalmoleküle oder Botenstoffe). Nach dem sogenannten „Schlüssel-Schloss-Prinzip“ binden solche Moleküle an den für sie vorgesehenen Rezeptor. Damit lösen sie in der Zelle ein spezifisches Signal aus, das wiederum zu bestimmten Folgereaktionen führt (biologische Wirkung). Auf molekularer Ebene ist somit die Bindung an einen Rezeptor meist eine Voraussetzung für eine biologische Wirkung.

Typische Beispiele für Rezeptoren sind die Hormonrezeptoren wie der Glucocorticoid-Rezeptor (bindet u.a. Cortisol) oder Rezeptoren für Neurotransmitter wie Acetylcholin.
Auch bestimmte Transportproteine können als Rezeptoren angesehen werden, wenn sie für den Transport der Moleküle zu ihren eigentlichen Rezeptoren verantwortlich sind, oder sogar Enzyme, die in die Signalwege der Zelle eingebunden sind. Gängige Beispiele hierfür wären das spezifische Transportprotein SHBG (Sexualhormon-bindendes Globulin) oder die Acetylcholinesterase (AChE).

Unglücklicherweise interagieren Rezeptoren häufig auch mit anderen, für sie unspezifischen Substanzen. Diese wirken dann beispielsweise wie Hormone oder unterbinden die eigentliche Wirkung. Von vielen solchen Substanzen in der aquatischen Umwelt ist die genaue Wirkungsweise auf die Rezeptoren noch völlig unbekannt. Anderseits kann häufig ein biologischer Effekt nachgewiesen werden, aber man weiß nicht, welche Substanz diesen Effekt verursacht.

Analytische Konzepte

Für die praktische Umsetzung verfolgt die Gruppe verschiedene analytische Konzepte:

Standardisierte Testverfahren im Mikrotiterplatten-Format (Rezeptorassay)

Bei einem Rezeptorassay werden zelluläre Rezeptoren bzw. nur die entsprechenden Liganden-Bindungs-Domänen (LBD) solcher Rezeptoren für den Bindungstest genutzt. Der Nachweis einer spezifischen Bindung erfolgt dann beispielsweise mittels Antikörpertechnologie, gekoppelt an Reporter-Enzymen oder Fluoreszenz-/Lumineszenz-Sonden in Form von nicht-kompetitiven bzw. kompetitiven Assays. Der experimentelle Aufbau ähnelt dem der ELISA-Verfahren.

Rezeptor-Affinitäts-Extraktion (RAE)

Hierbei werden die Rezeptoren bzw. LBD an ein Trägermaterial immobilisiert. Ähnlich wie bei einer Affinitätschromatographie lassen sich so Substanzen durch die Bindung an den Rezeptor aus einer wässrigen Probe extrahieren/anreichern und durch Elution mittels geeigneter Lösemittel wieder freisetzen. Anschließend erfolgt eine chemische Identifizierung.

Biomolekulare Interaktionsanalyse (BIA) und gekoppelte Verfahren (BIA-MS usw.)

Unter Verwendung von Analyseverfahren wie der Oberflächenplasmonresonanz (surface plasmon resonance, SPR) oder der reflektometrischen Interferenzspektroskopie (RIfS) werden Rezeptor-Substanz-Wechselwirkungen in Echtzeit und markierungsfrei analysiert. Zu diesem Zweck werden z.B. die Rezeptoren auf speziellen Sensoren immobilisiert. Anschließend lässt man die wässrige Probe über diese Sensoren fließen. Die Bindung von Substanzen an den Rezeptor generiert dann ein Signal. Zusätzlich können solche Verfahren direkt mit einer chemischen Analyse, z.B. Massenspektrometrie gekoppelt werden.

Direkte Kooperationspartner im Projekt sind hierbei die Firma Biametrics sowie die Arbeitsgruppe Effektbasierte Umweltanalytik um Carolin Huhn.

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