Erweitertes genetisches Alphabet: Aus vier mach sechs – mehr DNA-Basen, mehr Möglichkeiten für innovative Arzneimittel

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich das genetische Alphabet mit den 4 Buchstaben ATCG um zusätzliche Basen erweitern lässt, genannt „X“ und „Y“. Wie in der Sprache mehr Buchstaben auch mehr Wortkombinationen hergeben, können sechs Basen auch für deutlich mehr Aminosäuren kodieren als vier. Mit dem bestehenden genetischen Code aus 4 Buchstaben werden 20 natürliche Aminosäuren erfasst und in Eiweißmoleküle eingebaut, mit sechs Buchstaben und der Erweiterung des genetischen Codes sind der Einbau von über 170 unterschiedlichen Aminosäuren möglich. Für die Herstellung von Medikamenten ergibt sich hier ein großes Potenzial. Denn: Aus Aminosäuren und daraus entwickelten Proteinen lassen sich mit biotechnologischen Verfahren Arzneimittel herstellen. 

Indem nun zwei weitere Basen in den DNA-Strang eingebaut werden können, wächst das genetische Material und somit auch die Basis für die Arzneiherstellung. Wirkstoffe können neu miteinander kombiniert werden. Prof. Dr. Jochen Maas, Geschäftsführer Forschung und Entwicklung bei Sanofi in Deutschland bringt es auf den Punkt: „Mit dem erweiterten genetischen Alphabet kann das Design von Arzneimitteln verändert und optimiert werden. Das öffnet die Tür zur Entwicklung neuer Medikamente und ermöglicht, therapeutische Lücken zu schließen.“

Um aus dem erweiterten genetischen Material neue Wirkstoffe herzustellen, ist ein spezielles Verfahren nötig. Sanofi nutzt dazu seine mikrobielle Plattform. Hier ist es Protein-Ingenieuren gelungen, den erweiterten Code über ein biochemisches Verfahren als neues genetisches Material in ein bestimmtes Bakterium (Escherichia coli) einzusetzen. Das Bakterium verwendet den Code, um ganze neue Wirkstoffmoleküle zu produzieren. Es kodiert also eine modifizierte, nicht-natürlichen Aminosäuren mittels des neuen Basenpaars „X“ und „Y“ und so entstehen Eiweiße und letztlich mikrobiell hergestellte Wirkstoffe mit neuen Eigenschaften. Ähnlich wie bei der Herstellung von Insulinen erzeugt das Bakterium den Wirkstoff des Arzneimittels, der anschließend aufbereitet und als Medikament zur Verfügung gestellt werden kann. Die Gruppe dieser durch das erweiterte genetische Alphabet optimierten Biologika werden als Synthorine bezeichnet.

Es reicht allerdings nicht, nur zwei neue DNA-Bausteine ins Erbgut des Bakteriums einzuschleusen. Das zusätzliche Basenpaar darf Escherichia coli nicht an der Vermehrung hindern. Auch muss es Zellteilungen überstehen, ohne wieder verloren zu gehen und der Übersetzungsmechanismus der Bakterienzelle in das neue Zielprotein muss funktionieren. Um diese Bedingungen zu erfüllen, stellen die Bio-Ingenieure von Sanofi dem Prozess zudem eine ganze Reihe von Hilfsmolekülen zur Seite.

Mit neuen Technologien, wie die Nutzung des erweiterten genetischen Codes und einer mikrobiellen Plattform, bringt Sanofi die Forschung voran: neue Wirkstoffe entwickeln, neu miteinander kombinieren oder Ansätze für Enzyme und Rezeptoren neu programmieren – um Arzneimittel für Erkrankungen zur Verfügung stellen zu können, für die es bisher keine gibt. „Tagtäglich setzen sich die Forscher dafür ein, dass den Patienten die dringend benötigten innovativen Arzneimittel schnellstmöglich zur Verfügung stehen. Moderne Methoden wie die Erweiterung des genetischen Alphabets können dabei unterstützen“, erklärt Jochen Maas. „Am Sanofi-Standort in Frankfurt verfügen wir über die nötige Technologie und Expertise in der mikrobiellen Forschung, Entwicklung und Herstellung von biotechnologischen Arzneimitteln.“