Wie COVID-19 bekämpft werden kann

Proteine sind die absoluten Alleskönner der Zellen.

Proteine, auch Eiweiße genannt, sind Biomoleküle, die aus Aminosäuren bestehen. Proteine sind von zentraler Bedeutung für Organismen. So sind sie wesentlicher Bestandteil von Biomembranen und katalysieren als Enzyme sämtliche Stoffwechselreaktionen in Lebewesen. Außerdem übernehmen sie weitere lebenswichtige Aufgaben wie Bewegung mithilfe von Muskeln, Abwehr von Krankheitserregern, Stabilität durch Gerüstproteine in Knochen, Knorpel und Bindegewebe sowie den Transport von Sauerstoff mittels Hämoglobin, dem roten Blutfarbstoff.

Proteine werden zu komplexen 3D-Strukturen gefaltet.

Doch wie können Proteine so vielfältige Aufgaben übernehmen? Werden Proteine im Körper benötigt, werden entsprechende Bereiche der DNA, dem Träger der Erbinformation, im Zellkern „kopiert“ und dann im Zellplasma in eine Abfolge von Aminosäuren übersetzt. Dabei entsteht, vergleichbar mit einer Perlenkette, eine lange Kette aus Aminosäuren. Um ihre entsprechende Funktion zu erfüllen, müssen die Proteine aber erst noch ihre räumliche Struktur einnehmen. Dieser als Proteinfaltung bezeichnete Prozess ist aufgrund der Vielzahl möglicher Faltungen, die mit der Länge der Aminosäurekette exponentiell zunehmen, extrem kompliziert. Erst durch die Proteinfaltung erhalten Proteine ihre spezifische dreidimensionale Struktur, die die Voraussetzung für eine fehlerfreie Funktion darstellt.

Fehl-Faltungen haben verheerende Folgen.

Doch was hat nun die Proteinfaltung mit Krankheiten bzw. deren Therapie zu tun? Wissenschaftler gehen davon aus, dass Krankheiten wie Alzheimer, Rinderwahnsinn, Chorea Huntington, cystische Fibrose, aber auch einige Krebsarten das Resultat falscher Proteinfaltung sind, wodurch diese Proteine ihre Funktion verlieren oder aber miteinander verklumpen und sich z.B. im Gehirn ansammeln und so entsprechende Symptome auslösen können.

Großcomputer erforschen durch Simulation die Vorgänge, die zu Fehl-Faltungen führen.

Die Erforschung solcher Proteinfehlfaltungen war lange Zeit aufgrund der unzähligen Faltungsmöglichkeiten einer Aminosäurekette nur schwer möglich. Dank der enormen Rechenleistung heutiger Großcomputer besteht inzwischen jedoch die Möglichkeit, Simulationen von Proteinfaltungen am Computer durchzuführen. Dies nutzt das Projekt Folding@home, um Proteinfehlfaltungen näher zu untersuchen und die Entwicklung von Arzneimitteln voranzutreiben.

Das COVID-19-Pandemie-Virus könnte durch medikamenteninduzierte Fehlfaltung gestoppt werden.

Derzeit unterstützt das Projekt Folding@home Forscher auf der ganzen Welt bei der medizinischen Erforschung des Coronavirus Sars-CoV-2. Ziel ist es, zu verhindern, dass das Virus Zellen erkennen und in diese eindringen kann. Ebenso wie alle Viren besitzt auch Sars-CoV-2 Proteine, die es dem Virus ermöglichen, sich innerhalb einer Zelle selbst zu vervielfältigen, aber auch das Immunsystem der infizierten Person zu unterdrücken und so der Immunabwehr zu entgehen. Mit computerbasierten Simulationen der Faltung der Sars-CoV-2-Proteine zielt Folding@home darauf ab, Medikamente zu entwickeln, die das Virus stoppen, indem sie z.B. an bestimmten Stellen von Zielproteinen binden und so deren Funktion hemmen. Diese Simulationen sollen dabei helfen, genau solche Stellen zu identifizieren. Im Labor kann dann anschließend das Design von Medikamenten beginnen, die an die gefundene Proteinstelle binden und so eine Infektion verhindern.

Text: Beatrix Petersen & Judith Koval