Der Protein-Ingenieur

Nicht immer ist es einfach, Wirkstoffmoleküle im Körper heil an die gewünschte Wirkungsstelle und ins Innere von Zellen zu bringen. Denn einige dieser Moleküle zerfallen schnell, und die Zellen nehmen viele Moleküle nicht ohne Weiteres in sich auf. Dazu gehören auch RNA-Moleküle. Um sie als Wirkstoffe nutzen zu können, brauchen sie ein Transportsystem. Bei den auf RNA basierenden Covid-Impfstoffen zum Beispiel wird die RNA in ein Lipid-Nanopartikel gepackt. Ein Nachteil dabei: Diese Partikel sind bei Umgebungstemperatur nicht lange stabil.

Tom Edwardson, Wissenschaftler am Department Chemie und Angewandte Biowissenschaften, hat in den vergangenen Jahren eine andere neuartige Schutzhülle entwickelt, mit der RNA-Moleküle sehr einfach verpackt und geschützt werden können. Es handelt sich dabei um einen mikroskopisch kleinen Käfig, der aus 24 gleichen Proteinen zusammengesetzt ist. Aufgrund seiner geringen Grösse kann dieser Käfig zwar nicht ein ganzes mRNA-Molekül aufnehmen wie ein Lipid-Nanopartikel bei den aktuellen Covid-Impfstoffen. Doch Edwardson kann in seinen Proteinkäfig kleinere RNA-Moleküle unterbringen, die benötigt werden, um die Aktivität einzelner Gene in Zellen gezielt zu hemmen, sogeannte «small interfering RNA».

Viel gereist

Edwardson kam vor sechs Jahren in die Schweiz. Ursprünglich stammt er aus Schottland. Nach seinem Chemiestudium reiste er zunächst durch Asien, arbeitete in Korea länger als Englischlehrer und doktorierte schliesslich in Montreal. Dass er anschliessend für ein Postdoc nach Zürich gekommen ist, hat nicht nur mit ETH-Professor Donald Hilvert und der ETH Zürich zu tun, sondern auch mit den Alpen und den Möglichkeiten, hier ausgiebig klettern zu können. Denn das Klettern ist eine seiner grossen Leidenschaften. So ist er fast jedes Wochenende an einem Kletterfelsen anzutreffen, in den Alpen oder im Jura.

Sein zweites Hobby ist das Bierbrauen. «Ich habe in Kanada damit angefangen, gemeinsam mit einem Freund, der auch Chemiker ist», sagt Edwardson. «Bierbrauen ist das perfekte Hobby für Chemiker, es ist nichts anderes als Verfahrenstechnik», sagt er mit einem Lachen, das typisch ist für ihn. Mittlerweile ist er nicht nur der Hoflieferant für Bier seiner Forschungsgruppe, sondern nimmt auch an Brauwettbewerben teil und führt jüngere Arbeitskollegen in sein Hobby ein.

Einfach zu beladen

Ebenso leidenschaftlich ist er bei der Arbeit, den Proteinkäfigen, die sich in Bakterien mittels Biotechnologie sehr einfach herstellen lassen. «Jeweils 24 einzelne Proteine setzen sich selbstorganisierend zu einem Würfel zusammen. Ich war überwältigt, als ich dies zum ersten Mal sah», sagt Edwardson. Und während andere Molekülschutzhüllen wie zum Beispiel die Lipid-Nanopartikel bei der Herstellung unterschiedlich gross werden, haben die Proteinkäfige alle die genau gleiche Form und Grösse. «Das ist ideal, denn die Grösse beeinflusst die Eigenschaften von Medikamenten, zum Beispiel ob und wie gut sie von Zellen aufgenommen werden», erklärt der Chemiker.

Ein weiterer Vorteil der Proteinkäfige gegenüber anderen Möglichkeiten, kleine Wirkstoffmoleküle zu schützen: Sie können problemlos während Monaten bei Umgebungstemperatur aufbewahrt werden, bedürfen also keiner Kühlung. Und schliesslich haben die würfelförmigen Käfige auf allen Seiten eine kleine Öffnung, was das Beladen mit dem molekularen Transportgut sehr einfach macht: Die Proteinkäfige können in grosser Menge hergestellt werden und nachträglich mit dem Transportgut gefüllt werden. «Man könnte sie sogar mit patientenspezifischen RNA-Wirkstoffen befüllen», sagt Edwardson.

Auch für Chemotherapie

Um die Proteinhüllen zu entwickeln nutzte Edwardson eine bestehende synthetische Proteinstruktur, die andere Wissenschaftler entwickelt hatten, und er veränderte die Bausteinabfolge der Proteine an verschiedenen Schlüsselstellen. Das Ziel war, dass im Innern des Käfigs zahlreiche Atome positiv geladen sind. RNA-Moleküle sind negativ geladen, womit sie durch elektrische Anziehung von alleine durch die Öffnungen in den Proteinkäfig gelangen. «Unsere Käfige sind ein typisches Beispiel von Protein-Engineering. Wir sind heute in der Lage, Proteine gezielt zu verändern, um neue molekulare Gegenstände zu erschaffen», sagt Edwardson.

Mittlerweile hat Edwardson den Proteinkäfig noch erweitert, indem er dessen Inneres mit einer Schicht eines Tensids ausgekleidet hat. Somit können im Innern auch wasserunlösliche Moleküle transportiert werden wie etwa Krebswirkstoffe. In Zukunft möchte er auch das Äussere der Käfige gezielt verändern. Damit wäre es möglich zu steuern, in welche Körperzellen die Proteinkäfige gelangen sollen. Die ETH Zürich hat Edwardsons Proteinkäfige für zwei Patente angemeldet. Er und seine Kollegen planen nun, ein Spin-off zu gründen, um die Käfige weiterzuentwickeln und deren Marktreife vorzubereiten. «In der Schweiz ist das Umfeld ideal, um ein Unternehmen zu gründen», sagt er. Ohnehin möchte er gerne hier bleiben – auch um weiterhin so nahe an guten Klettermöglichkeiten zu sein.

Dass es wichtig ist, neben der Arbeit auch anderes zu machen, gibt er auch seinen jüngeren Kollegen in der Forschungsgruppe mit. Und dass man reisen soll, wenn man jung ist, und dass es überhaupt nichts schadet, zwischen Studium und Doktorarbeit eine Pause zu machen, um zu arbeiten. «Ich bereue überhaupt nicht, dass ich als Lehrer gearbeitet habe, denn ich habe dabei viel gelernt, wovon ich noch immer profitiere.»