Seit einigen Jahrzehnten wollen Biochemiker, Mediziner, Biologen und Pharmazeuten weltweit nicht mehr auf eine bioanalytische Methode verzichten, an deren Entwicklung der Frankfurter Wissenschaftler Prof. Dr. Michael Karas vom Institut für Pharmazeutische Chemie der Goethe-Universität maßgeblich beteiligt war. Die Rede ist von der Matrix-unterstützten Laser-Desorptions- / Ionisations-Massenspektrometrie – kurz MALDI-MS

Meichsner, Beate

German

Hochschulschriftenserver - Universität Frankfurt am Main

72 Forschung Frankfurt 1/2011PerspektivenSeit einigen Jahrzehnten wollen Bio-chemiker, Mediziner, Biologen und Pharmazeuten weltweit nicht mehr auf eine bioanalytische Methode verzich-ten, an deren Entwicklung der Frank-furter Wissenschaftler Prof. Dr. Michael Karas vom Institut für Pharmazeuti-sche Chemie der Goethe-Universität maßgeblich beteiligt war. Die Rede ist von der Matrix-unterstützten Laser-Desorptions-  /  Ionisations-Massenspek-trometrie – kurz MALDI-MS. Entsprechende Analysegeräte gehören seit Jahren zum Re-pertoire verschiedener Hersteller. Der Grund ist einfach: MALDI ist besonders effektiv, wenn es darum geht, die Struktur großer Biomo-leküle wie etwa Proteine, Pepti-de, DNA, RNA, Kohlenhydrate oder pharmazeutische Wirkstoffe zerstörungsfrei zu untersuchen. Neue Matrizen werden über die Innovectis GmbH, ein hundertprozentiges Toch-terunternehmen der Uni-versität, die sich um die Verwertung des geistigen Eigentums der Hochschule kümmert, jetzt patentiert und vermarktet.Karas und sein Mitarbeiter Dr. Thorsten Jaskolla haben in den letzten Jahren neue Matrixsubs-tanzen für MALDI-MS entwickelt, die wesentlich empﬁ  ndlichere Messungen ermöglichen und die am Institut zu Recht den Spitzna-men »Michael’s Magic Matrices« tragen. »Wir können mit den neuen Matrizes die Sensitivität der Messungen mindestens um den Faktor 10, teilweise sogar 100 stei-gern«, erläutert Jaskolla, der über dieses Thema bei Karas promoviert hat und mittlerweile an das Ins-titut für Medizinische Physik und Biophysik der Universität Münster gewechselt ist. Diese neuen Matri-zes hatten allerdings bisher einen entscheidenden Nachteil: Sie führ-ten zwar bei Messungen von posi-tiv geladenen Ionen zu dramatisch besseren Ergebnissen, konnten die-se Erwartung bei der Analyse von negativ geladenen Ionen jedoch nur eingeschränkt erfüllen. Diese Problematik ergibt sich aus den MALDI-speziﬁ  schen Abläufen in der Gasphase in Kombination mit der Natur der zu untersuchenden Moleküle. Die Folge: MALDI-MS zur Analyse von Anionen war bis-her sowohl mit den für den Posi-tiv-Modus optimierten Matrizes als auch mit den Standardverbindun-gen nur unzureichend möglich. Eine weitergehende Optimierung der Matrixsubstanzen wurde daher notwendig.Dass dies gelungen ist, verdan-ken die beiden Wissenschaftler nicht nur ihrer Kreativität, son-dern auch der ﬁ  nanziellen Unter-stützung durch den »Fonds zur Veredelung und Verwertung von Patenten der staatlichen Hochschu-len Hessens« in Höhe von knapp 160 000 Euro für zwei Jahre. Dieser Patentfonds, bereitgestellt von der Wirtschafts- und Infrastrukturbank Hessen (WI Bank) in Zusammen-arbeit mit der Hessischen Landes-regierung, war bundesweit der erste seiner Art und hat das Ziel, die Weiterentwicklung patentge-schützter, besonders praxisrele-vanter Erﬁ  ndungen aus den hes-sischen Hochschulen in Richtung eines marktreifen Produktes zu unterstützen. »Der Patentfonds ist außerordentlich wichtig, denn mit ihm lässt sich die Entwicklungs- und Finanzierungs-Lücke zwischen wissenschaftlichen Forschungser-gebnissen und einem marktreifen Produkt überbrücken«, betont der Vizepräsident der Goethe-Univer-sität und Aufsichtsratsvorsitzende der Innovectis, Prof. Dr. Manfred Schubert-Zsilavecz. »Eine derartige ›Veredelung‹ kann nicht alleinige Aufgabe der Wissenschaft sein.« Und der Geschäftsführer von Inno-vectis, Dr. Otmar Schöller, ergänzt: »Uns geht es als In  no  vations  dienst-leis  tungs  unternehmen darum, Grundlagenentwicklungen zur technischen Anwendbarkeit zu bringen und die Chancen auf eine »Michael’s Magic Matrices«Neue Substanzen ermöglichen zehnfach empﬁ  ndlichere Analytikvon Beate MeichsnerMit »MALDI-MS«, einem besonderen Massenspektroskopie-Verfahren, kann die Struktur großer Biomoleküle zerstö-rungsfrei untersucht werden, entwickelt und verfeinert wurden Methode und Matrixsubstanzen von Prof. Dr. Michael Karas (links in Bild) vom Institut für Pharmazeutische Chemie der Goethe-Universität und Dr.   Thorsten Jaskolla. Gefördert wurden die Arbeiten zur Opti-mierung vom hessischen Patentfonds.PerspektivenForschung Frankfurt 1/2011 73erfolgreiche kommerzielle Verwer-tung, etwa durch Lizenzvergabe an ein Unternehmen, zu erhöhen.«Das WI-Projekt »Optimierung von MALDI-MS Matrices zur er-höhten Detektionsempﬁ  ndlichkeit vorzugsweise von Biomolekülen« von Jaskolla und Karas konnte als erstes der vier an der Goethe-Uni-versität laufenden WI-Projekte im Januar erfolgreich abgeschlossen werden: Alle Projektziele wurden erreicht, und die patentierten Ma-trixsubstanzen sind nun auch für den Negativ-Ionen-Modus opti-miert. »Außerdem haben wir wei-tere Matrixsubstanzen entwickelt und über Innovectis zum Patent angemeldet. Das wird das Anwen-dungsspektrum dieser Technologie noch deutlich erweitern«, betont Karas, »denn jetzt lassen sich auch labile oder in biologischen Proben nur sehr niedrig konzentrierte Analytklassen, beispielsweise Gly-ko- oder Phosphopeptide, sehr sensitiv messen oder gänzlich neue Anwendungsgebiete, etwa chlo-rierte Lipide, die bei der Immunab-wehr eine wichtige Rolle spielen, erschließen. »Allerdings«, darüber ist sich Karas im Klaren, »reich wird man mit solchen Patenten nicht. Aber warum sollen nur die anderen daran verdienen? Es wäre doch wunderbar, wenn wir mit den Einnahmen unsere weiter-gehende Forschung ﬁ  nanzieren können.«Am liebsten wäre es ihm, wenn ihre Substanzen möglichst vielen Anwendern zur Verfügung stün-den. So sieht es auch Jaskolla, der in seiner Forschungsarbeit über 100 neue Matrixsubstanzen syn-thetisiert und getestet hat – immer auf der Suche nach dem Optimum zwischen Absorption des Laser-lichts und Reaktivität der Matrix und damit der Sensitivität der Messung für positive und negative Ionen. »Ausgangspunkt war die typische Matrix-Verbindung Cy-anzimtsäure«, erklärt der kurz vor seiner Disputation stehende Che-miker. »Wir haben dieses Molekül derivatisiert und die Auswirkun-gen ihrer jeweiligen funktionellen Gruppen genau studiert. Nachdem wir erkannt hatten, dass Matrix-Substanzen umso reaktiver sind, je niedriger ihre Protonenafﬁ  nität ist und verstanden hatten, welche Gasphasen-Prozesse hohe Sensiti-vitäten für die Analyse von negativ geladenen Biomolekülen bewir-ken, konnten wir die Ursprungs-substanz gezielt verändern und so letztlich Derivate entwickeln, die höhere Sensitivitäten und ausrei-chend hohe Absorptionsvermö-gen bei den Analysen von positiv und negativ geladenen Analyten bieten.«Bleibt zu wünschen, dass »Michael’s Magic Matrices« mög-lichst bald ihre Wege in breite technische Anwendungen ﬁ  nden, zumal diese Komponenten bereits in mehr als 50 Arbeiten weiterer Forschergruppen weltweit erfolg-reich verwendet wurden – in nur zwei Jahren. Erste Gespräche hinsichtlich der kommerziellen Verwertung sind jedenfalls bereits geführt worden.  XMALDI – was ist das?Normalerweise werden Moleküle im Massenspektrometer ioni-siert, also elektrisch geladen, und dann in der Gasphase nach ihrer Masse sortiert. Bei großen Biomolekülen wie Proteinen funk-tioniert das nicht, da sie bei Überführung in die Gasphase zerstört werden. Mit MALDI (Matrix-unterstützte Laser-Desorption    /    Ionisa-tion) ist es möglich, diese großen Biomoleküle intakt in die Gas-phase zu bringen. Der Trick: Man mischt zu einer Lösung der Bio-moleküle einen Überschuss an kleinen organischen Molekülen, der Matrix. Die kristallisierte Mischung wird im Vakuum des Massen-spektrometers mit Laserlicht bestrahlt. Da die zahlreichen kleinen Matrixmoleküle nicht nur das Laserlicht absorbieren, sondern auch das Biomolekül mit einer schützenden Hülle umgeben, bricht das große Biomolekül beim Übergang in die Gasphase nicht auseinan-der. Durch weitere Reaktionen entstehen geladene Matrixmolekü-le, die ihre Ladung auf die zu analysierenden Biomoleküle übertra-gen, wodurch deren Analyse möglich wird. So lassen sich mit der MALDI-Technik Rückschlüsse auf die Struktur der untersuchten Moleküle ziehen.Die AutorinDr. Beate Meichsner, 55, arbeitet seit 1999 als freie Wissenschaftsjourna-listin, sie hat bereits mehrere Beiträ-ge in »Forschung Frankfurt« und im UniReport insbesondere zu naturwis-senschaftlichen Themen geschrieben [weitere Informationen siehe Seite 6].beate.meichsner@t-online.deOptimierung der Ausgangs-Matrix α-Cyan-4-hydroxyzimtsäure (CHCA, links): Der Einbau elektronenziehender Halogene wie Chlor oder Fluor führt zu sensitiveren Matrizes wie Chlor-α-cyanzimtsäure (ClCCA) oder α-Cyan-diﬂ  uorzimtsäure (DiFC-CA). Dabei wird das Optimum zwischen Reaktivität und Absorption gesucht: Je geringer die Protonenafﬁ  nität der Matrix ist, desto höher ist deren Sensitivität. Da andererseits mit abnehmender Protonenafﬁ  nität auch eine Abnahme der Absorpti-on bei den für MALDI-MS meist eingesetzten Laserwellenlängen von 337 und 355 nm erfolgt, lassen sich taugliche Matrizes mit extremen Sensitivitäten nur durch exakte Anpassung an beide Bedürfnisse erreichen. Weitergehende Fluori-dierungen zu F3CCCA oder TriFCCA führen zu weiter gesteigerten Reaktivitäten mit jedoch ungenügender Absorption.Protonenaffinität ReaktivitätAbsorptionCHCA CICCA DiFCCA F3CCCA TriFCCAHO CI F FFFFFFFOH NCOOOH NCOOH NCOOOH NC NC OH

"Michael’s Magic Matrices" : neue Substanzen ermöglichen zehnfach empfindlichere Analytik

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