Die Proteomik ist noch ein recht junges Forschungsgebiet, das sich die Gesamtheit aller Proteine (Proteom) näher anschaut und versucht herauszufinden, welche Proteine es in den Zellen gibt, welche Funktionen sie haben und wie sie zusammenwirken. Unser gesamter Körper ist aus tausenden verschiedenen Proteine zusammengesetzt. Und Enzyme, welche ebenfalls aus Proteinen bestehen, regulieren wichtige Stoffwechselvorgänge.
Mit Hilfe der Proteomik können wir eine Art riesige Bibliothek anlegen, in der Proteine klassifiziert und eingeordnet werden. Dadurch bekommen wir ein besseres Verständnis über die Zusammenhänge in unserem Körper und können verstehen, welche Prozesse bei Krankheiten gestört sind oder wie Medikamente auf den Körper wirken. Wir zeigen dir in diesem Artikel verständlich, was die Proteomik ist, was sie mit der Epigenetik zu tun hat und wie wir diese Technik nutzen können.
Was ist Proteomik?
Ganz nüchtern formuliert ist die Proteomik die umfassende Studie und Analyse des Proteoms, also der Gesamtheit aller Proteine, die in einer Zelle, einem Gewebe, einem Organismus oder einem spezifischen biologischen System zu einem bestimmten Zeitpunkt exprimiert werden. Sie befasst sich mit der Identifizierung, Quantifizierung, Struktur, Funktion und den Interaktionen der Proteine sowie deren Veränderungen unter verschiedenen Bedingungen.
Durch den Einsatz von fortschrittlichen Technologien, wie der Massenspektrometrie und bioinformatischen Werkzeugen, zielt die Proteomik darauf ab, ein detailliertes Verständnis der Rolle von Proteinen in biologischen Prozessen und Krankheiten zu erlangen und trägt somit wesentlich zur Entwicklung neuer diagnostischer Methoden, Therapien und zum Verständnis von Krankheitsmechanismen bei.
Das Proteom als Garderobe deines Lebens
Proteomik – geht es auch verständlicher?
Zugegeben, die komplexen Hintergründe der Proteomik sind nicht ganz einfach zu erklären. In unserem Artikel über die Epigenetik haben wir diese mit den Lautstärkereglern verglichen. Für die Proteomik können wir eine andere Analogie heranziehen: einen Kleiderschrank.
Stell dir vor, dein Kleiderschrank ist randvoll mit verschiedenen Kleidungsstücken, die jeweils eine spezifische Funktion erfüllen. Jedes Kleidungsstück repräsentiert ein Protein in deinem Körper, und die Gesamtheit aller Proteine (bzw. deines Kleiderschranks) wird als Proteom bezeichnet.
Ähnlich wie bei einem Kleiderschrank kann das Proteom vielfältig sein, mit einer großen Auswahl an Proteinen, die für verschiedene zelluläre Funktionen und Prozesse verantwortlich sind. Einige Proteine sind wie deine Lieblingskleidungsstücke, die du oft trägst und die eine wichtige Rolle in deinem täglichen Leben spielen. Hier würde man von essentiellen Proteinen sprechen.
Andere Proteine sind wie die selten getragenen oder saisonalen Kleidungsstücke, die nur zu bestimmten Anlässen benötigt werden.
Die Garderobe des Lebens
Genau wie du deinen Kleiderschrank je nach Bedarf organisierst und bestimmte Kleidungsstücke auswählst, die zu deinem Stil passen, reguliert dein Körper die Expression und Aktivität verschiedener Proteine je nach den Anforderungen und Bedingungen. Dieser Prozess wird als Proteomik bezeichnet und beinhaltet die Untersuchung und Analyse aller Proteine in einer Zelle, einem Gewebe oder einem Organismus zu einem bestimmten Zeitpunkt.
Wenn du beispielsweise trainierst, kann dein Körper Proteine produzieren, die für die Muskelregeneration und den Aufbau neuer Muskelmasse wichtig sind. Diese Proteine werden aktiviert, um die spezifischen Anforderungen deines Trainings zu erfüllen. Ähnlich wie du vielleicht deine Sportkleidung auswählst, um dich für deine Trainingseinheit vorzubereiten, wählt dein Körper bestimmte Proteine aus, um die physiologischen Anpassungen an das Training zu ermöglichen.
Die Proteomik ermöglicht es uns, das komplexe Zusammenspiel der Proteine in biologischen Systemen zu untersuchen und zu verstehen, wie sie auf verschiedene Umweltfaktoren, Erkrankungen oder therapeutische Interventionen reagieren. Durch die Analyse des Proteoms können wir Einblicke in die Funktionsweise von Zellen und Geweben gewinnen und neue Möglichkeiten für die Diagnose, Behandlung und Prävention von Krankheiten entdecken. Wir untersuchen, um bei der Analogie zu bleiben, welche „Kleidungsstücke“ in welchen Lebenssituationen zum Einsatz kommen.
Warum nutzt man Proteomik?
Die Proteomik bietet eine Art „Live-Einblick“ in die Zelle. Mit der Genetik konnten wir bis jetzt „nur“ die Baupläne sichtbar machen. Durch die Proteomik ist es nun möglich einen neuen Blickwinkel zu erhalten. Wir können sehen, ob Proteine nach ihrer Translation noch einmal verändert werden, z.B. durch Phosphorylierungen oder Glykosylierungen. Das heißt, wir bekommen einen detailreicheren Einblick in die Prozesse der Zelle. So können Forscher auch Protein-Protein-Interaktionen besser erforschen und somit komplexe biologische Signalwege besser verstehen.
Welche Vorteile bietet Proteomik?
Die Proteomik ist der nächste Schritt zu einer personalisierteren Medizin. Durch die Forschungsbemühungen mag es in der Zukunft möglich sein, neue Biomarker für Krankheiten, oder therapeutische Zielmoleküle besser zu identifizieren. Außerdem können wir mit Hilfe der Proteomik unser Verständnis darüber, wie Medikamente auf den Körper wirken, steigern.
Noch steht die Forschung relativ am Anfang, es existieren jedoch schon einige sehr spannende Untersuchungen. In dieser Studie wurden 36 Menschen mit unterschiedlichen Voraussetzungen vor und nach dem Sport getestet. Die Analysen waren äußerst umfangreich, von Bluttests, über Proteom- bis hin zu Genanalysen. Die Forscher konnten feststellen, dass einige Proteine sich als Marker für die spätere Leistung im Ausdauertest eigneten. Außerdem fanden sie heraus, dass Menschen mit einer Insulinresistenz eine veränderte Reaktion auf den Sport zeigen. Bevor man daraus genaue Behandlungsansätze ableitet, muss noch ein wenig mehr geforscht werden, aber die Ergebnisse sind bis jetzt schon äußerst spannend.
Wie misst man Proteine?
Es gibt verschiedene Methoden Proteine zu messen. Für die Proteomik von großer Bedeutung ist ein Massenspektrometer. Doch wie funktioniert ein solches Gerät?
Ein Massenspektrometer ist wie eine ausgeklügelte Waage, die winzige Teilchen wie Proteine oder Peptide (kurze Proteinabschnitte) nach ihrem Gewicht sortiert. Stell dir vor, du hast einen Beutel mit unterschiedlich großen Kugeln und möchtest sie nach ihrer Größe ordnen. Ein Massenspektrometer macht im Grunde genommen dasselbe, nur mit Molekülen. Damit du eine bessere Vorstellung für den Prozess dahinter bekommst, haben wir dir einmal die einzelnen Arbeitsschritte möglichst einfach dargestellt:
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Schritt 1: Vorbereitung der Probe
Zuerst werden die Proteine aus einer Zell- oder Gewebeprobe extrahiert. Da Proteine zu groß und komplex sind, um direkt analysiert zu werden, „zerlegt“ man sie in kleinere Teile, genannt Peptide, durch einen Prozess namens Verdauung (ähnlich wie beim Essen).
Schritt 2: Ionisierung
Die Peptide werden dann in das Massenspektrometer eingespeist, wo sie ionisiert werden. Das bedeutet, dass die Peptide elektrisch geladen werden, ähnlich wie wenn du Luftballons an deinen Haaren reibst und sie dann an der Wand „kleben“ bleiben.
Schritt 3: Flug durch das Massenspektrometer
Die geladenen Peptide werden durch das Massenspektrometer geschickt. Das Gerät verwendet elektrische Felder, um die Peptide zu beschleunigen. Je leichter ein Peptid ist, desto schneller bewegt es sich durch das Gerät. Es ist, als würdest du verschiedene Größen von Bällen durch einen Windtunnel blasen; die kleineren fliegen schneller als die größeren.
Schritt 4: Detektion
Am Ende des „Fluges“ kommen die Peptide an einem Detektor an. Der Detektor misst, wie schnell jedes Peptid ankam, was auf sein Gewicht (genauer gesagt, das Verhältnis von Masse zu Ladung) schließen lässt. Diese Informationen werden in einem Spektrum dargestellt, das aussieht wie ein Bergdiagramm, mit Spitzen, die verschiedenen Peptiden entsprechen.
Schritt 5: Analyse der Daten
Die gesammelten Daten – das Massenspektrum – werden mit einer Datenbank verglichen, die Informationen über bekannte Peptide und Proteine enthält. Durch diesen Abgleich können Wissenschaftler herausfinden, welche Proteine in der Probe vorhanden waren und in welcher Menge.
Ein Massenspektrometer arbeitet also wie eine sehr präzise Waage, die Proteine in kleinere Teile zerlegt, diese Teile elektrisch auflädt, sie dann durch ein Gerät fliegen lässt und misst, wie schnell sie sich bewegen. Diese Informationen helfen uns zu verstehen, welche Proteine in einer Zelle oder einem Gewebe vorhanden sind und wie sie funktionieren.
Fazit zur Proteomik
Die Proteomik ist ein noch recht junges Forschungsfeld. Eines der ersten Paper zu diesem Thema erschien 2000 im renommierten Lancet Journal unter dem Titel: „Preotomics: new perspectives, new biomedical opportunities“.
Seitdem hat sich einiges in der Forschung getan. Die Methoden wurden immer ausgereifter und billiger, was es ermöglicht hat, die Proteomik im größeren Stil zu erforschen. Durch die Zuhilfenahme von Künstlicher Intelligenz (KI) kann die Wissenschaft die riesigen Mengen an Daten besser analysieren und so mit Hilfe der Proteomik neue Biomarker entdecken oder neue Therapien entwickeln.
