Die Kommunikationsschnittstelle einer Zelle befindet sich an ihrer Oberfläche. Dort werden biologische Signale empfangen und beantwortet. Welche Signale durchkommen und wie laut sie zu hören sind, wird durch zuckerbeschichtete Sensoren namens Proteoglykane gesteuert. Diese großen Signalmoleküle bestehen aus einem Kernprotein und langen Zuckerketten und sitzen auf der Zelloberfläche oder lagern sich im Raum um die Zellen herum ab. Sie ermöglichen es den Zellen, auf eine sich verändernde Umgebung zu reagieren.
Proteoglykanen schwer zu analysieren
Trotz der offensichtlichen Bedeutung von Proteoglykanen sind sie aufgrund ihrer einzigartigen Struktur mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu analysieren. Benjamin Schumann, Professor für Biochemie an der TU Dresden wollte das ändern. Während seiner Zeit am Francis Crick Institute in London suchte er mit seinem Team nach einer neuartigen Lösung: „Proteoglykane sind für das Wachstum der meisten unserer Organe von entscheidender Bedeutung. Veränderungen dieser Moleküle sind für sich entwickelnde Embryonen tödlich“, erklärt er.
„Obwohl Studien nur etwa hundert Proteoglykane in menschlichen Zellen identifiziert haben, gibt es wahrscheinlich noch viel mehr. Derzeit ist es ein umständlicher Prozess, jeweils nur ein Proteoglykan zu identifizieren, seine Struktur zu ermitteln und seine Funktion zu bestimmen. Ich wollte versuchen, diesen Prozess zu optimieren.“
„Click-Chemie“
Mit seinem Team am Crick Institute und dem Imperial College London unter der Leitung von Zhen Li und Himanshi Chawla hat Ben Schumann eine Methode entwickelt, um Proteoglykane mithilfe der nobelpreisgekrönten „Click-Chemie“ zu charakterisieren und zu tracken.
Statt das gesamte Molekül zu betrachten, konzentrierten sie sich auf einen einzelnen Schritt seiner Herstellung. Dafür wurde ein Enzym mithilfe der sogenannten Bump-and-Hole-Engineering-Technik so verändert, dass es ausschließlich eine speziell modifizierte Zuckerform verarbeitet. Dieser Zucker trägt eine chemische Markierung, die eine gezielte Nachverfolgung ermöglicht. Mithilfe der Click-Chemie können die markierten Proteoglykane sichtbar gemacht oder aus der Zelle isoliert und weiter analysiert werden. Auf diese Weise lassen sich erstmals bestimmte Proteoglykane gezielt markieren und ihr Verhalten im Körper genauer untersuchen.
In der Studie konnten die Forschenden demonstrieren, dass das modifizierte Enzym und der modifizierte Zucker erfolgreich in normale zelluläre Prozesse von Säugetieren eingebunden wurden, ohne die biologische Funktion der Zellen zu verändern.
Eine Welt voller Möglichkeiten
Für Ben Schumann eröffnet sich dadurch eine Welt voller Möglichkeiten: „Forschende könnten diese Moleküle in verschiedenen Kontexten markieren, um zu sehen, was sie tun, beispielsweise bei der Organentwicklung. Wir könnten auch die Funktion von Proteoglykanen verändern, indem wir die Zuckerketten durch andere biologische oder synthetische Moleküle ersetzen, die ich als ‚Designer-Proteoglykane‘ bezeichne.“
Seit August 2025 forscht Ben Schumann nun an der Technischen Universität Dresden. Sein chemisches Werkzeugset hat er mitgebracht und will nun hier untersuchen, wie Proteoglykane dazu beitragen, dass sich Gewebe zu komplexen Organen entwickeln. Er glaubt auch, dass diese Technik vielversprechend für die Bekämpfung von Tumoren ist.
„Ich bin zuversichtlich, dass dieses Tracking-System uns helfen könnte, die Signale, die eine Krebszelle empfängt, zu verstehen und sogar zu modifizieren, vielleicht durch die Einführung eines Designer-Proteoglykans, das nicht auf die üblichen Krebswachstumsfaktoren reagiert“, erklärt Ben Schumann. „Dies könnte uns eines Tages helfen, bessere Behandlungsmethoden zu finden.“
Quelle: Technische Universität Dresden
Originalpublikation: Zhen Li et al.; Xylosyltransferase engineering to manipulate proteoglycans in mammalian cells; Nature Chemical Biology, Januar 2026, DOI: 10.1038/s41589-025-02113-w
