Auf der Suche nach maßgeschneiderten Medikamenten

Wissenschaftler gehen heute längst nicht mehr zuerst ins Labor oder in eine Sammlung von Medizinpflanzen, wenn sie nach neuen Wirkstoffen gegen Krankheiten suchen. Stattdessen setzen sie sich an den Rechner. Denn hier können sie zunächst erkunden, wie eine Substanz chemisch aussehen muss, um beispielsweise gegen einen Erreger zu wirken. Mithilfe solcher computergestützter Entwürfe von Wirkstoffmolekülen können diese dann sehr viel gezielter hergestellt werden.

Schlüssel-Schloss-Prinzip
Bei der Suche nach der optimalen Form und Wechselwirkung solcher Moleküle bedienen sich die Forschenden des Schlüssel-Schloss-Prinzips. Die Moleküle werden so konstruiert, dass sie zum Beispiel genau in eine Bindungstasche eines schädlichen Proteins passen. Sie docken an, blockieren das Protein und verhindern seine krankmachende Wirkung. Mithilfe von Visualisierung und Simulation kann das virtuelle Wirkstoffmolekül am Computer so lange angepasst werden, bis es optimal passt.

Flexibilität als Hindernis
Das Problem ist jedoch, dass weder Schlüssel noch Schloss in diesem Beispiel starre Gebilde sind. Sowohl das Zielmolekül als auch der Wirkstoff bewegen sich bei Körpertemperatur und ändern Ihre Gestalt. Beide können daher mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit verschiedene Formen und Konstellationen annehmen. Ziel ist es, eine chemische Struktur zu finden, die in möglichst vielen Zuständen passt – und das gelingt nur mithilfe der richtigen Statistik.

An dieser Stelle sind Mathematiker gefragt, die Algorithmen zur Erzeugung und zur Analyse solcher Statistiken entwickeln. In einer engen Kooperation zwischen dem Zuse-Institut und einer Arbeitsgruppe im DFG-Forschungszentrum MATHEON in Berlin wird die Flexibilität von Biomolekülen untersucht. Dies schafft wichtige Voraussetzungen für ein effektives „Wirkstoff-Design“. Den Forschern ist es im Herbst 2007 bereits gelungen, einen Wirkstoff gegen die Volkskrankheit Diabetes zu simulieren, der nicht die Nebenwirkungen der bisherigen Präparate aufweisen soll.

Projekt: Computational Drug Design
Ort: DFG-Forschungszentrum MATHEON, Zuse-Institut Berlin (ZIB)
Verantwortlich: Dr. Marcus Weber, ZIB
Projekt-Homepage: www.zib.de/Numerik/DrugDesign/index.en.html
Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)