KAIST-Roboter bauen Wirkstoffgerüste ohne Pause per sichtbarem Licht

Eine schmale Röhre, ein dünner Flüssigkeitsstrom und ein Strahl sichtbaren Lichts: Darum dreht sich eine neue Plattform am KAIST, dem Korean Advanced Institute of Science and Technology. Dort hat ein Team unter Leitung von Professor Yoonsu Park vom Fachbereich Chemie ein Chemielabor aufgebaut, das zwischen den einzelnen Schritten ohne menschliches Eingreifen an den Geräten auskommt. Der Roboter mischt die Ausgangsstoffe, die Pumpen halten sie in Bewegung, und das Licht startet die Reaktion. Anschließend prüft Analysetechnik das Ergebnis.

Das Problem, auf das die Plattform zielt, ist allen vertraut, die in der Wirkstoffentwicklung arbeiten. Selbst wenn ein Computer ein Molekül vorschlägt, das als Medikament wirken könnte, muss es erst hergestellt werden, bevor Wirksamkeit und Sicherheit geprüft werden können. Schon kleine Änderungen an der Molekülstruktur können völlig neue Reaktionsbedingungen erfordern, und ein Verfahren, das im kleinen Maßstab gelingt, muss bei wachsender Produktion oft erneut angepasst werden, weil Licht oder Wärme nicht überall im Gemisch gleich ankommen. Die Antwort des Teams ist ein kontinuierliches Durchflussverfahren: Die Ausgangsstoffe werden gleichmäßig durch eine schmale Röhre geleitet, statt in einem großen Ansatz gemischt zu werden. Die schmale Röhre sorgt dafür, dass das Licht die gesamte Lösung gleichmäßig erreicht, und die Ausbeute steigt, indem derselbe Prozess länger läuft.

Im Zentrum der Arbeit steht eine Methode des Einzelatom-Austauschs. Dabei wird das Sauerstoffatom des Furans, eines Ausgangsstoffs, durch Stickstoff ersetzt. So werden Furane direkt in N-Methylpyrrole umgewandelt, ein Gerüst, das in der Wirkstoffentwicklung eingesetzt wird. Das Team wandte die Methode auf mehr als 20 furanbasierte Verbindungen an und berichtet, dass sich der relevante Teil selbst komplexer Naturstoffe modifizieren ließ, während der Rest des Moleküls unverändert blieb. Solche Veränderungen sind wichtig, weil sie beeinflussen können, wie ein Wirkstoff an Proteine im Körper bindet.

Für Wirkstoffentwickler liegt der praktische Gewinn vor allem in der Geschwindigkeit beim Vergleich. Tests bedeuten meist, mehrere leicht unterschiedliche Versionen einer Verbindung herzustellen und zu prüfen, welche besser an ein Zielprotein bindet oder weniger giftig ist. Die Plattform soll es erleichtern, solche Varianten zu gewinnen. Park sagte, das System solle es zudem ermöglichen, Reaktionsbedingungen zu quantifizieren und zu reproduzieren. Das Team nennt keinen Zeitplan für den Einsatz über das Labor hinaus und gibt weder Ausbeuten, Produktionsmengen noch Kosten an. Der Nutzen für die pharmazeutische Arbeit bleibt daher eine Perspektive, die außerhalb des KAIST noch nicht gemessen wurde.

Vorerst ist das Ergebnis eine funktionierende Laborplattform, die in JACS Au beschrieben wird und zeigt, dass eine Kette von den Rohstoffen bis zur Analyse ohne manuelle Schritte ablaufen kann. Sollte die von Park beschriebene Reproduzierbarkeit auch in anderen Laboren gelten, könnte sich die Zeit zwischen einem entworfenen Molekül und einer prüfbaren Probe verkürzen. Wie stark, sagt die Veröffentlichung bislang aber nicht.