New Drugs for old Bugs (Drug Development – Yonath & Kobilka)


We should all be worried by the growing number of antibiotic-resistant bacteria and we urgently need to develop new drugs, says Ada Yonath. She and Brian Kobilka won Nobel Prizes for using x-ray crystallography to understand cell structures that are vital targets for drug development. In this film, three researchers challenge the structural approach and propose alternative ways to find drugs; some cutting edge, such as computation, and some ancient, such as searching for chemicals deep in the rain forest. What is the best way forward? Or is a combination of techniques the most promising approach?

Neue Antibiotika durch Strukturbiologie – Tom Steitz und Ada Yonath

Ein Leitmotiv des diesjährigen Treffens ist die Frage, wie die Medizin der Zukunft aussehen könnte. Harald zur Hausen hat betont, dass möglicherweise in der Prävention von Krankheiten größeres Potential steckt als in der Entwicklung von Therapien. Martin Evans, der den Nobelpreis für Isolierung embryonaler Stammzellen erhielt, sprach die Möglichkeiten und Hürden der personalisierten Medizin an. Eine konkretere Antwort lieferte Tom Steitz. Er erklärte in seinem Vortrag, wie in seiner Arbeitsgruppe strukturbiologisches Forschungsergebnisse genutzt werden um neue Antibiotika zu entwickeln.

Steitz erhielt den Nobelpreis für Chemie 2009 zusammen mit Venki Ramakrishnan und Ada Yonath (die am Montag hier in Lindau einen Vortag hielt) für die Aufklärung der Sturkur und des Mechanismus des Ribosoms.

Ribosomenen sind große molekulare Maschinen aus zwei Untereinheiten, die jeweils aus RNA und Proteinen bestehen, und die sich nach Bindung der mRNA, also der zu übersetenden Information, zum fertigen Ribosom zusammenlagern. In einem komplizierten und trotzdem rasend schnell ablaufenden Prozess wird die mRNA durch das Ribosom geleitet, spezifische tRNAs erkennen komplementäre Sequenzen auf der mRNA und liefern die passenden Aminosäuren an, die dann am Ribosom zu Aminosäureketten verbunden werden. Die so synthetisierte Aminonsäurekette verlässt das Ribosom durch einen Tunnel in der Struktur des Ribosoms und lagert sich danach zu fertigen, funktionalen Proteinen zusammen. Ribosomen übersetzen also die genetische Information in Proteine.

Diese komplexen Maschinen kommen in allen lebenden Organismen vor – mit kleinen, jedoch sehr wichtigen Unterschieden zwischen den bakteriellen Ribosomen und jenen in menschlichen Zellen. Diese kleinen Unterschiede bieten die Angriffspunkte für rund 40% der gängigen Antibiotikaklassen: Chloramphenicol und Tetracyclin binden beispielsweise an der Stelle an der die tRNA an das Ribosom herangeführt wird und hemmen so die Proteinsynthese. Clindamycin verhindert die Bildung der Peptidbindungen zwischen den einzelnen Aminoäuren und Erythromycin blockiert den Ausgangstunnel, es kommt sozusagen zu molekularer Verstopfung.

 Blick in den Ribosomentunnel. Einige dort bindende Antibiotika sind farbig eingezeichnet

Blick in den Ribosomentunnel. Einige dort bindende Antibiotika sind farbig eingezeichnet

Antibiotika können therapeutisch eingesetzt werden, da sie aufgrund der kleinen Unterschiede zwischen bakteriellen Ribosomen und denen von Menschen, spezifisch die Proteinsynthese in den Krankheitserregern hemmen, die Funktion der Ribosomen in den körpereigenen Zellen jedoch nicht beeinflussen.

Gleichzeitig bergen die kleine Unterschiede zwischen den Ribosomen von Bakterien und Menschen jedoch auch die Gefahr für bakterielle Antibiotikaresistenzen. Beispielsweise reicht eine einzelne mutierte Aminosäure im Ausgangstunnel des Ribosoms aus, um die Bindung von Erythromyzin zu verhindern. Und genau hier ist der Punkt an dem biomedizinische Grundlagenforschung bei der Entwicklung neuer Antibiotika hilft.

Durch die Aufklärung der Struktur des Ribosoms durch Yonath und Steitz, buchstäblich bis aufs Atom, kann die Bindung der Antibiotika genau modelliert werden. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, bekannte Antibiotika zuerst am Computer so zu verändern, dass sie an neue, kritische Stellen spezifisch im Bakterienribosom binden, oder sogar ganz neue Antibiotika in silico zu entwerfen – basierend alleine auf der Kenntnis der Wechselwirkungen zwischen Aminosäureseitenketten des Ribosoms und den Bausteinen des Antibiotikums.

Es ist ein ständiger Wettlauf zwischen der Entwicklung neuer Antibiotika und der Ausbildung von Resistenzen in den Organismen, die damit abgetötet werden sollen. Durch die Ausnutzung der strukturbiologischen Kenntnis des Ribosoms hat möglicherweise wieder der Mensch die Nase vorne. Zumindest so lange, bis pathogene Bakterien sich wieder angepasst haben.

Hier eingebunden noch ein Video vom Prozess der Proteinsynthese. Es veranschaulicht die Komplexität und die Schönheit eines der grundsätzlichsten Mechanismen des Lebens. Das Video stammt von Venki Ramakrishnan, dem dritten Nobelpreisträger für das Ribosom 2009.

Noble Sätze – Verraten Original-Publikationen den Nobelpreis?

Wie alle Wissenschaftler publizieren auch zukünftige Nobelpreisträger ihre Forschungsergebnisse in peer-revieweten Wissenschaftsmagazinen. Ihre ursprünglich veröffentlichten Ergebnisse, Thesen und Ideen sind in den digitalen Archiven der Wissenschaftsliteratur auch Jahre und Jahrzehnte später konserviert, als wären sie erst gestern publiziert worden. 

Lucas Brouwers, der Kollege im englischen Lindau Blog und dessen Blogpost ich hier frei übersetze, hatte eine nette Idee: Er hat sich die Originalveröffentlichungen der Laureaten angeschaut und untersucht, ob dort bereits Spuren der tiefen Einsicht oder der gloreichen Entdeckungen erkennbar sind, die zum Nobelpreis führen sollten. Gibt es Absätze in den Papers, die den Erfolg, welche die Autoren Jahre später hatten,  vorwegnehmen?  Gibt es den einen nobelpreiswürdigen Satz?


Natürlich nicht. Es ist lächerlich zu meinen das der wissenschaftliche Fortschritt auf ein einzelnes Paper oder gar einem einzelnen Satz kondensiert werden kann. Wissenschaftliche Einsicht ist ein Prozess und sie kommt nicht als Geniestreich. Sogar die Laureaten bauen auf das Wissen der Forscher vor ihnen.

Ich denke dennoch, dass es interessant ist, wie die Nobelpreisträger, die dieses Jahr am Treffen in Lindau teilnehmen ursprünglich von ihren Ergebnisse berichteten. Ich habe daher deren Schlüsselpublikationen gelesen und die Sätze ausgewählt, die meiner Meinung nach die Idee, die zum Nobelpreis geführt hat, am besten repräsentiert.

Aus den Zitaten wird klar, dass es nicht den einen Weg gibt eine Entdeckung oder Erkenntnis zu veröffentlichen. Zum Teil sind es technische Beschreibungen, zum Teil sind es klare Worte. Manche sind im Aktiv geschrieben, andere im Passiv. Aber sie haben eines gemein: Alle sind ausgezeichnete Beispiele hervorragender Wissenschaft und Teil der Speerspitze unseres Wissens.

Unten die Beispielsätze mit Links zu den Papers. (eventuelle Fehler sowie mehr oder weniger gelungene Wahl der Schlüsselveröffentlichung sind Lucas zu zu schreiben! :-))

Peter Agre gibt die Entdeckung von Wasserkanälen in Membranen bekannt:
“Our observations strongly suggest that CHIP28 is the functional unit of the constitutively active water channels of RBCs and proximal renal tubules.” (ref)

Werner Arber liefert den Schlüssel, das Restriktionsenzyme spezifische DNA Sequenzen erkennen:
“It is concluded that host specificity is carried on the bacteriophage DNA.” (ref)

Elizabeth Blackburn beschreibt zum ersten Mal ein Telomer:
“The results described in this paper show that at each end of the palindromic, extra-chromosomal rDNA molecules there is a tandemly repeating hexanucleotide sequence.” (ref)

Aaron Ciechanover und Avram Hershko über die Entdeckung des Ubiquitin-basierten Proteinabbaus:
“We now report that the ATP-dependent cell-free system is composed of complementing species, and describe the properties of one of the components.” (ref)

Christian de Duve entdeckt das Lysosom:
“Acid phosphatase is attached to a special type of cytoplasmic granules, differing both from the [..] mitochondria and from the [..] microsomes.” (ref)

Sir Martin Evans beschreibt die erste Isolierung embyonaler Stammzellen von Mäusen:
“We have demonstrated here that it is possible to isolate pluripotential cells directly from early embryos.” (ref)

Edmond Fisher beschreibt die reversible phosphorylierung als Regulationsmechanismus:
“The activation and inactivation of muscle phosphorylase, which results from the interconversion of phosphorylases b and a, constitutes an important mechanism by which the metabolism of carbohydrate in this tissue may be controlled.” (ref)

Robert Huber und Michel Hartmut geben bekannt, dass sie die Struktur des photosynthetischen Reaktionszentrums gelöst haben:
“In this letter we report the spatial arrangement of the prosthetic groups in the photosynthetic reaction centre as the first result of our structure analysis at 3 angstrom resolution” (ref)

Sir Harold Kroto witzelt über den Namen “buckminsterfullerene” oder “bucky balls”, die er und sein Team synthetisiert haben:
“We are disturbed at the number of letters and syllables in the rather fanciful but highly appropriate name we have chosen in the title to refer to this C60 species” (ref)

Jean-Marie Lehn beschreibt die Synthese von Cryptanden:
“In previous communications, we described the synthesis of a macroheterobicyclical compound.” (aus dem Französischen übersetzt: Dans la communication précédente nous avons décrit la synthèse de composés macrohétérobicycliques.) (ref)

Anmerkung: Das ist die erste Erwähnung der Cryptanden die ich von Jean-Marie Lehn finden konnte. Der Satz enthält einen Literaturverweis, der aber nur als “previous communication” im Literaturverzeichnis ausgeführt wird. 

Ferid Murad beschreibt wie einfache Stickstoffmonoxidmoleküle die Aktivität eines Enzyms regulieren können:
While the precise mechanism of guanylate cyclase activation by these agents is not known, activation may be due to the formation of nitric oxide. (ref)

Ei-ichi Negishi beschreibt zum ersten mal die Bindung einer organo-zink Verbindung an ein Halogen mit Hilfe eines Palladium-Katalysators (diese Reaktion wird später die “Negishi-Reaktion” genannt):
“We now report that organozinc compounds readily participate in the Ni- or PD-catalyzed cross-coupling reaction.” (ref)

Erwin Neher und Bert Sakmann beschreiben zum ersten Mal das Verhalten eines einzelnen Ionenkanals:

“We have formed the following picture of acetylcholine receptors [..]: a channel opens and closes rapidly.” (ref)

Hamilton Smith entdeckt TypII Restriktionsenzyme:
“We have made the chance discovery of what appears to be [..] an enzyme in Hemophilus influenza which specifically degrades foreign DNA.” (ref 1 and ref 2)

Oliver Smithies schreibt, dass er mit Hilfe der homologen Rekombination erfolgreich ein fremdes Gen in ein Wirbeltiergenom eingeführt:
“The experiments reported here establish that the planned modification of a specific human gene can be accomplished in mammalian cells by homologous recombination without detectably affecting other parts of the genome.” (ref)

Thomas Steitz  über die Aufklärung der Struktur des Ribosoms:
“The analysis of the 50S ribosomal subunit structure presented here describes the overall architectural principles of RNA folding and its interaction with proteins, but many exciting details remain to be explored.” (ref)

Roger Tsien sieht die Zukunft fluoreszierender Proteine in der biologischen Forschung voraus:
“The availability of several forms of GFP [..] should facilitate two-color assessment of differential gene expression, developmental fate or protein trafficking.” (ref)

Torsten Wiesel beschreibt seine Experimente über die Prozessieung visueller Reize im Gehirn von Katzen:
“The present investigation [..] includes a study of receptive field of cells in the cat’s striate cortex.” (ref)

Ada Yonath über die Kristallisation ribosomaler Protein in thermophilen Bakterien:
“The  information obtained from the studies described in this paper will be a valuable contribution to the current investigation on the spatial  structure of  the ribosome by chemical, physical, and immunological techniques.” (ref)

Anmerkung: Ich habe erfolglos versucht die online-Version eines früheren Papers zu finden, das zitiert wird (1980, Biochemistry International).

Harald zur Hausen  isoliert humane Papillomvirus-DNA aus Gebärmutterhalstumorproben:
“The data thus indicate that HPV 16 DNA prevails in malignant [cervical] tumors, rendering an accidental contamination with papillomavirus [..] unlikely” (ref

Climbing the Everest with polar bears

In her lecture today, Ada Yonath compared her scientific quest to determine the structure of the ribosome to a climb of the Mount Everest. Time after time she thought that she had reached the peak, only to discover a taller summit. While her journey was long and arduous, Yonath eventually reached the top and was rewarded with a spectacular view of the ribosomal landscape. She shared some of those insights with her audience today. 

To solve the structure of any molecule, scientists first need to make crystals from it. The same is true for the ribosome, one of the cell’s most important molecules (it converts RNA into proteins). But crystallizing the ribosome turned out to be impossible using conventional methods. As unlikely as it sounds, Ada Yonath first found some evidence that ribosomes can crystallize in a paper about polar bears.

In that paper it was described how the ribosomes of polar bears become stacked when they go into hibernation. In this way, the ribosomes maintain their integretiy, Yonath explained. She saw a potential application in this finding: if under the right conditions ribosomes form some faint but detactable order by packing together, surely there must be a way to crystallize them as well?

This insight turned out to be a first glimpse of the mountain. It took many years of work before Yonath and her colleagues found out how she should convince the ribosome to form crystals. She was aon the right track by trying to crystallize the robust ribosomes from bacteria that live in extreme conditions, but even these sturdy molecules were destroyed by the X-rays that are used in the structural determination of proteins.

Yonath soon found the solution to this problem In 1984, she discovered that flash-freezing the ribosome crystals protected them from the damaging X-rays. With the ribosomes fixed at sub-zero temperatures, the analogy to hibernating polar bears is complete. Cryocrystallography, as the freezing treatment became known, was established as a routine procedure soon afterwards.

Now that the ribosomes had been crystallized, its structure could be solved. Still it would take almost two decades before the ‘final’ structures of the ribosome was published. Final, because these were the first descriptions of the ribosome at such a high resolution that the position of every single atom was known. ‘Final’, because there is not a single ribosome. The ribosome binds to molecules such as tRNAs, and all these binding events lead to different structures and crystals.

With the ribosome structure solved, there suddenly was a lot more to see. The molecular choreography of tRNAs, proteins and ribosomes could now be studied, for example. Yonath also showe examples how it became possible to study how bacteria resistant to the antibiotics that target the ribosome. She also mentioned tha the ancient RNA core of the ribosome hints at a world that was dominated by RNA instead of proteins. And perhaps the ribosome also holds the secret to the origin of proteins and the genetic code… One thing is certain: plenty of peaks await.

Sentences that win Nobel prizes

Nobel laureates, like all scientists, have published their findings in peer-reviewed journals. Their initial results, theories and thoughts in these publications have been preserved in the digital archives of the scientific literature, as if they have been frozen in time.

I thought it would be a nice idea to go back to these papers, and see whether they contain traces of remarkable insight or glorious discovery. Are there paragraphs that hint at the future recognition that its writer would receive?  Does the Nobel prize-winning sentence exist?
Of course not. It is ridiculous to suggest that the advancement of science can be captured by a single sentence, or even a single paper. Scientific understanding is a process, and does not arrive via a stroke of genius. Even the Nobel laureates have built on the knowledge of the scientists who came before them.

Still, I think it is an interesting exercise to find out how the laureates that will attend this year’s Lindau meeting initially reported their findings. I therefore reread their key papers, and picked out the sentence that I think best represents their Nobel prize-winning work.

The list makes clear that there is not one way to announce a discovery or insight. Some descriptions are technical, some are lucid. Some are written in the active, and some in the passive voice. But they do have one thing in common. They are all excellent examples of exciting science at the cutting edge of our knowledge. See for yourselves in the list below (any errors or poor choices are entirely my fault)!  

Peter Agre announces the discovery of water channels:
“Our observations strongly suggest that CHIP28 is the functional unit of the constitutively active water channels of RBCs and proximal renal tubules.” (ref)

Werner Arber provides a clue that restriction enzymes recognize specific DNA sequences:
“It is concluded that host specificity is carried on the bacteriophage DNA.” (ref)

Elizabeth Blackburn describes a telomere for the first time:
“The results described in this paper show that at each end of the palindromic, extra-chromosomal rDNA molecules there is a tandemly repeating hexanucleotide sequence.” (ref)

Aaron Ciechanover and Avram Hershko on the discovery of two-component ubiquitin degradation system:
“We now report that the ATP-dependent cell-free system is composed of complementing species, and describe the properties of one of the components.” (ref)

Christian de Duve discovers the lysosome:
“Acid phosphatase is attached to a special type of cytoplasmic granules, differing both from the [..] mitochondria and from the [..] microsomes.” (ref)

Sir Martin Evans describes the isolation of the first embryonic stem cells from mice:
“We have demonstrated here that it is possible to isolate pluripotential cells directly from early embryos.” (ref)

Edmond Fisher writes reversible phosphorylation is a regulatory mechanism:
“The activation and inactivation of muscle phosphorylase, which results from the interconversion of phosphorylases b and a, constitutes an important mechanism by which the metabolism of carbohydrate in this tissue may be controlled.” (ref)

Robert Huber and Michel Hartmut announce that the structure of the photosynthetic reaction centre has been solved:
“In this letter we report the spatial arrangement of the prosthetic groups in the photosynthetic reaction centre as the first result of our structure analysis at 3 angstrom resolution” (ref)

Sir Harold Kroto quips about the name of buckminsterfullerene, or ‘bucky balls’, which he and his team have synthesized:
“We are disturbed at the number of letters and syllables in the rather fanciful but highly appropriate name we have chosen in the title to refer to this C60 species” (ref)

Jean-Marie Lehn describes the synthesis of cryptates:
“In previous communications, we described the synthesis of a macroheterobicyclical compound.” (translated from French: Dans la communication précédente nous avons décrit la synthèse de composés macrohétérobicycliques.) (ref)

NOTE: This is the earliest mention of cryptates by Jean-Marie Lehn that I could find. The sentence contains a reference, but it is merely described as ‘previous communication’ in the reference list.

Ferid Murad describes how a simple nitric oxide molecule can regulate the activity of an enzyme:
While the precise mechanism of guanylate cyclase activation by these agents is not known, activation may be due to the formation of nitric oxide. (ref)

Ei-ichi Negishi describes the first coupling of an organozinc compound with a halide using palladium as a catalyst (this reaction would later become known as the Negishi reaction):
“We now report that organozinc compounds readily participate in the Ni- or PD-catalyzed cross-coupling reaction.” (ref)

Erwin Neher and Bert Sakmann describe the behaviour of a single ion channel for the first time:
“We have formed the following picture of acetylcholine receptors [..]: a channel opens and closes rapidly.” (ref)

Hamilton Smith discovers type II restriction enzymes:
“We have made the chance discovery of what appears to be [..] an enzyme in Hemophilus influenza which specifically degrades foreign DNA.” (ref 1 and ref 2)

Oliver Smithies writes that he has succeeded in inserting foreign genes into mammalian genomes via homologous recombination:
“The experiments reported here establish that the planned modification of a specific human gene can be accomplished in mammalian cells by homologous recombination without detectably affecting other parts of the genome.” (ref)

Thomas Steitz on solving the structure of the ribosome:
“The analysis of the 50S ribosomal subunit structure presented here describes the overall architectural principles of RNA folding and its interaction with proteins, but many exciting details remain to be explored.” (ref)

Roger Tsien foresees the future of fluorescent proteins in biological research:
“The availability of several forms of GFP [..] should facilitate two-color assessment of differential gene expression, developmental fate or protein trafficking.” (ref)

Torsten Wiesel describes his studies on the visual processing of the brain in cats:
“The present investigation [..] includes a study of receptive field of cells in the cat’s striate cortex.” (ref)

Ada Yonath on the crystallization of ribosomal proteins in thermophilic bacteria:
“The  information obtained from the studies described in this paper will be a valuable contribution to the current investigation on the spatial  structure of  the ribosome by chemical, physical, and immunological techniques.” (ref)

NOTE: I tried finding an online version of an earlier paper that is referenced (1980, Biochemistry International), but was unsuccessful

Harald zur Hausen isolates human papillomavirus DNA from cervical cancer samples: 
“The data thus indicate that HPV 16 DNA prevails in malignant [cervical] tumors, rendering an accidental contamination with papillomavirus [..] unlikely” (ref