Entdecker der verborgenen Metabolite
von Prof. Dr. Sebastian Böcker
Künstlerische Darstellung von CSI:FingerID als Web-Suchmaschine
Alles, was lebt, hat Metabolite, produziert Metabolite und verbraucht Metabolite. Die chemischen Prozesse zur „Verarbeitung“ dieser Moleküle sind gemeinhin als Stoffwechsel bekannt. Damit haben sie nicht nur eine enorme Bedeutung für unser Leben, sondern sie liefern auch wertvolle Informationen über den Zustand eines Lebewesens oder einer Umgebung. Doch die Diversität dieser chemischen Verbindungen bereitet der Wissenschaft einige Schwierigkeiten. Nur vergleichsweise wenige Moleküle wurden bisher in ihrer Struktur aufgeklärt, und wir wissen bislang nicht einmal, was wir nicht wissen – wie viele Metabolite also noch auf die Aufklärung ihrer Struktur warten. Die praktische Bedeutung dieser Strukturaufklärung lässt sich am Beispiel von Wirkstoffen aus der Natur zeigen: Diese sind entzündungshemmend, können Krankheitskeime abtöten, oder unterbinden das Wachstum von Krebszellen. Weit mehr als ein Drittel aller heute verfügbaren Medikamente basieren auf solchen sekundären Naturstoffen, wie sie in zahlreichen Pflanzen, Bakterien und Pilzen vorkommen. Den reichhaltigen Medizinschrank der Natur nutzbar zu machen und neue Naturstoffe zu identifizieren, ist jedoch zeit-, kosten- und arbeitsintensiv.
Weil Naturstoffe und andere Metabolite üblicherweise in extrem niedrigen Konzentrationen vorkommen – oft sind weniger als ein Millionstel Millionstel Millionstel Gramm in einer Probe – nutzt die Wissenschaft Massenspektrometrie, um diese Moleküle nachzuweisen. In aller Regel werden dabei aber nur die Moleküle identifiziert, die durch den Abgleich mit einer Datenbank von Referenzmessungen, also kommerziell erhältlichen Reinsubstanzen, eindeutig zugeordnet werden können. Auf diese Weise lässt sich leider niemals die Struktur eines gänzlich „neuen“ Moleküls aufklären. (Natürlich ist das Molekül nicht wirklich neu, die Natur produziert es ja schon seit Millionen von Jahren; nur der Menschheit ist seine Struktur noch gänzlich unbekannt.)
Hier kommt die Bioinformatik ins Spiel: Wir entwickeln beispielsweise Methoden, die es erlauben, mit den Massenspektrometriedaten in einer Molekülstruktur-Datenbank zu suchen. Unsere Suchmaschine für Molekülstrukturen – CSI:FingerID – kann man sich vorstellen wie eine Suche im Internet: Zu einer Anfrage (einem gemessenen Massenspektrum) liefert sie eine geordnete Liste von Treffern (Molekülstrukturen); im besten Fall findet sich die korrekte Antwort an der ersten Stelle. Anders als bisher muss dazu lediglich die Struktur eines Moleküls hinterlegt werden, aber die Substanz nicht kommerziell erhältlich sein. Das funktioniert auch dann, wenn diese Moleküle noch nie beobachtet wurden: So haben wir beispielsweise die Strukturen von mehr als 28.000 theoretisch möglichen Gallensäuren generiert.
Worfklow und Interface der SIRIUS Software
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Die Strukturen von 111 zufällig ausgewählten der 28630 konjugierten Gallensäuren. Aller Voraussicht nach kommt von diesen 111 Strukturen keine einzige in der Natur vor.Abbildung: Kai Dührkop -
Die 28630 konjugierten Gallensäuren wurden in Datensätzen gesucht, bei denen Stuhlproben von Mäusen gemessen wurden. Elf konjugierte Gallensäuren wurden durch COSMIC mit hoher Konfidenz annotiert und manuell von einem Experten bestätigt. Zwei der konjugierten Gallensäuren wurden schließlich aufwändig synthetisiert; der Abgleich mit den im Experiment gemessenen Daten bestätigt auch hier die von COSMIC vorgeschlagene Annotation.Abbildung: Martin A. Hoffmann -
CANOPUS ordnet jeder gemessenen Verbindung die wahrscheinlichsten Stoffklassen zu. Die Abbildung zeigt ein molekulares Netzwerk und die Annotationen von Stoffklassen für einen Datensatz des Verdauungssystems von Mäusen. Die Knoten korrespondieren zu den gemessenen MS/MS-Spektren. Kanten verbinden zwei Moleküle, wenn ihre Spektren ähnlich sind, was auf eine strukturell Ähnlichkeit hinweist. Die Farben der Knoten zeigen die von CANOPUS annotierte Stoffklasse an (Teilmenge der 2.497 möglichen Stoffklassen).Abbildung: Kai Dührkop
Sebastian Böcker, Univ.-Prof. Dr.
Professur für Bioinformatik