Membranproteine: In drei Stunden zum nativen Target

Ein innovativer Workflow könnte einen zentralen Engpass der Wirkstoffforschung überwinden. Durch die Kombination aus polymerbasierter Extraktion und automatisiertem Liquid Handling lassen sich funktional intakte Membranproteine in hoher Ausbeute nun in weniger als drei Stunden aufreinigen.

Membranproteine: Schaltstellen und Torwächter der Zelle

Membranproteine sind Sensoren und Schaltstellen in der Zellmembran: sie erkennen externe Signale wie Hormone, Nährstoffe oder Botenstoffe und übersetzen sie in Reaktionen im Zellinneren. Gleichzeitig regulieren sie, welche Moleküle in die Zelle hinein- oder hinausgelangen und steuern damit essenzielle Prozesse wie Energiehaushalt, Wachstum oder Immunantwort.

Als Rezeptoren, Ionenkanäle, Transporter und membranständige Enzyme sitzen sie fest verankert in der Doppellipidschicht der Zellmembran. Ohne sie wäre eine koordinierte Kommunikation zwischen den Zellen und ihrer Umgebung nicht möglich. Sie bilden eine wichtige Brücke zwischen grundlegenden biologischen Mechanismen und der Entwicklung von Medikamenten.

Die Bedeutung von Membranproteinen in der Pharmakologie

Gerade weil sie an der entscheidenden Schnittstelle zwischen Außenwelt und Zellinnerem agieren, können Wirkstoffe gezielt an ihnen ansetzen, um Signalschalter ein- oder auszuschalten, Transportprozesse zu modulieren oder fehlgeleitete Zellreaktionen, etwa bei Krebs oder Stoffwechselerkrankungen, zu korrigieren. Dementsprechend hoch ist ihre pharmakologische Relevanz: Rund 60 Prozent aller zugelassenen Arzneimittel wirken auf Membranproteine. G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) zählen zu den wichtigsten Target-Familien, da sie gut zugänglich sind und eine zentrale Funktion bei der Signalweiterleitung haben.

Sowohl klassische niedermolekulare Wirkstoffe als auch moderne Biologika und Zelltherapien wirken auf Membranproteine und decken nahezu das gesamte Spektrum therapeutischer Indikationen ab. Dazu zählen etablierte Behandlungen von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Schmerzen oder Entzündungen, aber auch innovative Ansätze in der Onkologie, beispielsweise Immuntherapien oder CAR-T-Zelltherapien.

Komplexität und Strukturverlust als zentrale Herausforderungen

So groß ihr Potenzial ist, so anspruchsvoll ist ihre Analyse: Membranproteine sind hochempfindlich, ihre aufwendige Aufreinigung macht sie zu den schwierigsten Targets in der Arzneimittelforschung.

Membranproteine sind fest in die Lipidumgebung der Zellmembran eingebettet und stark von ihr abhängig. Werden sie daraus entfernt, verlieren sie häufig ihre native Struktur und damit ihre Stabilität und Funktion. Auf Grund ihrer amphiphilen Eigenschaften erfordert ihre Extraktion den Einsatz spezieller Detergenzien oder alternativer Methoden, die jedoch die Struktur der Proteine oder funktionell relevante Konformationen verändern können. Zudem sind viele Membranproteine, etwa Ionenkanäle, hochdynamisch und nehmen unterschiedliche Zustände an, was die eindeutige Charakterisierung ihrer Zielstruktur erschwert.

Besonders kritisch sind nicht nur vollständig inaktive, sondern vor allem subtil veränderte Proteine, die scheinbar intakt sind. In solchen Fällen besteht die Gefahr, dass Wirkstoffe auf falsche Zielstrukturen optimiert werden. Die Folgen, zeigen sich oft erst spät im Entwicklungsprozess in Form von Verzögerungen und erhöhten Kosten.

Auch die Aufreinigung selbst ist ein erheblicher Engpass. Sie erfordert eine Vielzahl hochspezialisierter manueller Arbeitsschritte, oft in speziellen Infrastrukturen wie Kühlräumen. Die Prozesse können mehrere Tage oder Wochen dauern und sind oft von der Expertise einzelner Personen abhängig. Zudem liegen Membranproteine oft nur in sehr geringen Mengen vor. Jede Probe ist daher wertvoll, und Verluste im Prozess wirken sich direkt auf die Datenqualität aus.

Diese Kombination aus strukturellem Risiko, begrenzter Probenverfügbarkeit und hoher Prozesskomplexität macht die Membranproteinforschung zu einem Hochrisiko-Prozess. Obwohl etwa 30 Prozent aller Proteine im menschlichen Körper Membranproteine sind, ist bislang weniger als ein Zehntel davon detailliert charakterisiert.

Neue Ansätze: Automatisierung und native Bedingungen

Ein neuer Ansatz adressiert zwei der kritischsten Engpässe in der Membranproteinforschung: den Strukturverlust durch Detergenzien und die Komplexität der Aufreinigung. Das Verfahren kombiniert die innovative Aufreinigungstechnologie Native MP^TM mit automatisiertem Probenhandling auf dem Liquid-Handler CyBio FeliX.

Die polymerbasierte Aufreinigung erhält Teile der Doppellipidschicht um das Membranprotein und schafft so Bedingungen, die der nativen Umgebung nahekommen. Dadurch bleiben die 3D-Struktur und Funktionalität der Proteine erhalten, was ihre Stabilität deutlich erhöht und verlässliche Analysen ermöglicht.

Parallel dazu vereinfacht und beschleunigt die Automatisierung auf dem CyBio FeliX den gesamten Workflow erheblich Nach dem Beladen mit Zellproben und Reagenzien läuft der Prozess weitgehend ohne manuelle Eingriffe ab. Fehlerquellen und Variabilität werden reduziert, während Reproduzierbarkeit und Ausbeute deutlich steigen.

Das Ergebnis kann als Revolution in der Aufreinigung bezeichnet werden: Innerhalb von weniger als drei Stunden sind native Membranproteine verfügbar, mit einer drei- bis vierfach höheren Ausbeute als bei manuellen Verfahren. Membranproteinforschung wird deutlich zugänglicher und weniger abhängig von hochspezialisierter Expertise, da der Prozess in Standardlaboren zuverlässig implementieren lässt.

Probenminiaturisierung und Stabilitätsanalyse

Auch bei automatisierter Aufreinigung bleiben Membranproteinproben häufig limitiert. Probenminiaturisierung ist daher entscheidend für effiziente Forschungsprozesse. Kleinste Volumina wertvoller Proben können mit digitaler Dispensierung präzise und reproduzierbar verarbeitet werden. Der PULSEspencer R realisiert dies kontaktfrei und bis in den Pikoliterbereich.

Durch den stark reduzierten Probeneinsatz können deutlich mehr experimentelle Bedingungen parallel getestet werden, etwa unterschiedliche Puffer, Liganden oder Stabilisatoren. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, schnell Bedingungen zu identifizieren, unter denen die native Struktur der Proteine erhalten bleibt.

Gleichzeitig ermöglicht die präzise Dispensierung den Einsatz empfindlicher Reagenzien in miniaturisierten Assays. Sie bildet die Grundlage für zuverlässige thermische Stabilitätsanalysen (TSA), selbst bei sehr geringen Probenmengen.

Mittels TSA lassen sich Veränderungen der Proteinstabilität frühzeitig und direkt erfassen, wodurch stabile Konformationen identifiziert und potenziell problematische Bedingungen frühzeitig ausgeschlossen werden können.

Zum Einsatz kommen dabei hochsensitive fluoreszenzbasierte Messsysteme wie der qTOWER iris, die insbesondere für Proteine mit hohen hydrophoben Anteilen geeignet sind. Erweiterte optische Detektionsbereiche, insbesondere im UV‑A-Bereich, ermöglichen den Einsatz etablierter Farbstoffe wie CPM oder 1,8‑ANS. In Kombination mit hoher Sensitivität lassen sich selbst kleinste Fluoreszenzänderungen erfassen und reproduzierbare Schmelzkurven generieren. Gleichzeitig erlaubt die Kompatibilität mit gängigen Mikrotiterplattenformaten die Skalierung vom Einzelansatz bis zum Hochdurchsatz-Screening.

Materialverbrauch und das Risiko fehlerhafter Ergebnisse lassen sich durch digitale Dispensierung in Verbindung mit TSA reduzieren. So werden wertvolle Proben effizienter genutzt und Entscheidungsprozesse in frühen Phasen der Wirkstoffentwicklung beschleunigt.

Ausblick

Der vorgestellte Ansatz ist Teil eines übergeordneten Trends: Membranproteinforschung entwickelt sich zunehmend zu einem zentralen Innovationstreiber kommerziell sehr erfolgreicher Arzneimittel. Fortschritte in der Strukturbiologie, etwa durch Kryo-Elektronenmikroskopie und KI-gestützte Vorhersagen, haben den Zugang zu neuen Targets grundlegend erweitert. Gleichzeitig ermöglichen neue Therapieformate wie Antikörper oder präzisere Small-Molecule-Ansätze deren gezieltere Adressierung.

Lange Zeit blieb jedoch der experimentelle Zugang, insbesondere die Aufreinigung funktional intakter Proteine, der limitierende Faktor. Durch die Automatisierung der polymerbasierten Aufreinigung lässt sich diese Hürde nun deutlich reduzieren. In Kombination mit miniaturisierten Assays und sensitiven Analysen sind so schnellere und robustere Untersuchungen möglich.

Mit der Verschiebung des vormaligen Hochrisiko-Prozesses hin zur Standard-Laborroutine eröffnen sich neue Perspektiven, von der Entwicklung weiterer Blockbuster-Therapien bis hin zur Erschließung bislang schwer zugänglicher oder wirtschaftlich weniger attraktiver Targets. Damit wird der Weg frei für eine breitere Wirkstoffforschung und neue Therapien für bislang unterversorgte Patientengruppen.

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Dieser Artikel entstand mit freundlicher Unterstützung von Analytik Jena GmbH & Co. KG

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