Forschungsschwerpunkte

Der Arbeitskreis Bernhardt (Institut für Biochemie) möchte Mechanismen von Enzym-katalysierten Reaktionen verstehen, um diese im Krankheitsfalle regulieren oder mit Hilfe des Proteindesigns für die biotechnologische Anwendung nutzbar machen zu können. Wir beschäftigten uns insbesondere mit der Analyse von Cytochrom P450 Systemen und deren Anwendungsmöglichkeiten in der Biotechnologie und Medizin.

Cytochrom P450 Systeme katalysieren folgende Reaktion:
RH + O2 + NAD(P)H -------> ROH + H2O + NAD(P)+

Sie sind in den Metabolismus vieler Arzneimittel und Xenobiotika eingebunden. Die von ihnen katalysierten Reaktionen sind sehr vielfältig und umfassen z.B. Hydroxylierungen, N-, O- und S-Dealkylierungen, Sulfoxidationen, Epoxidierungen, Desaminierungen, Entschwefelungen, Dehalogenierungen, Peroxidierungen und N-oxid-Reduktionen. Ihre Substrate sind Fettsäuren, Steroide, Prostaglandine, aber auch eine große Zahl anderer Substanzen wie Arzneimittel, Anästhetika, organische Lösemittel, Ethanol, Alkyl-aryl-Kohlenwasserstoffe, Pestizide und Karzinogene. 
Es ist offensichtlich, dass diese Vielzahl von Substraten und katalysierten Reaktionen nicht durch wenige Iso-Formen von Cytochrom P450 umgesetzt bzw. bewirkt werden können: Es wurden daher schon mehr als 18000 P450-Gene aus verschiedenen Organismen identifiziert. 
Die Verschiedenheit der Cytochrome P450 und die von ihnen katalysierten Reaktionen haben das Interesse von Forschern sehr verschiedener Richtungen auf sich gezogen. Neben Pharmakologen und Toxikologen arbeiten auch Endokrinologen, Physiologen, Mikrobiologen, Organische Chemiker, Pflanzenphysiologen und Umweltforscher an verschiedensten Aspekten der Funktion und Regulation von P450:

Erfahrungen in der Grundlagenforschung

  • Charakterisierung der Wirkung von Metaboliten und Derivaten des Steroidstoffwechsels auf die Steroidbiosynthese.

  • Analyse der strukturellen Basis für die Ausprägung der Stereo- und Regioselektivität von Hydroxylierungen, insbesondere von Steroiden, durch Cytochrom-P450-abhängige Reaktionen.

  • Regulation der Geschwindigkeit der Cytochrom P450-abhängigen Hydroxylierungen. Wie werden die Elektronen vom Elektronen-Donor-Molekül auf die Steroid-Hydroxylasen übertragen? Was sind die wichtigsten Eigenschaften der beteiligten Redoxpartner (Ferredoxine, Reduktasen)? Wie erfolgen die Protein-Protein-Wechselwirkungen?

  • Funktionelle und strukturelle Analyse (Clonierung, Expression und Charakterisierung) der in Sorangium cellulosumenthaltenen Cytochrome P450, Ferredoxine und FAD-abhängigen Reduktasen.

  • Aufklärung der Struktur und Funktionsweise von bakteriellen Steroid- und Terpenoidhydroxylasen aus Bacillus megaterium.

Erfahrungen in der anwendungsorientierten Forschung

  • Optimierung von Cytochromen P450 für biotechnologische Synthesen durch Design und Herstellung effizienter Biokatalysatoren.

  • Einsatz von Cytochromen P450 für selektive Steroidhydroxylierungen.

  • Analyse des Potentials und Einsatz von bakteriellen Cytochromen P450 für die Hydroxylierung von Terpenoiden mit Anwendungsmöglichkeiten in der Biosynthese neuer Wirkstoffe, Geschmacks- und Riechstoffe.

  • Analyse der Wirkungen von Steroidhormonen (z.B. Aldosteron, Cortisol) , u.a. auf die Genese der Herzfibrose, sowie Entwicklung von Systemen für die Testung potentieller Inhibitoren.

  • Molekulargenetische Charakterisierung von Steroid-Hydroxylasen von Patienten mit Defekten der Steroidbiosynthese 

  • Analyse des Zusammenhangs zwischen der Funktion von Cytochromen P450 und der Entstehung der Parkinson-Erkrankung 
    (gefördert durch die Dr. Rolf M. Schwiete-Stiftung)

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