Maßgeschneiderte Proteine, die Zellen kontrollieren und gezielt aktivieren können: Damit will Prof. Thomas Schlichthärle die Entwicklung neuer Medikamente voranbringen. In der neuen Folge von „NewIn“ erzählt er, wie auch Forschende anderer Disziplinen von seinen Methoden profitieren können.

Stellen wir uns vor, man könnte winzige Maschinen an eine Stammzelle, also eine noch undifferenzierte Körperzelle, andocken lassen. Diese Maschinen würden die Zelle dazu bringen, sich gezielt zu verwandeln – in eine Herzzelle zum Beispiel, oder in eine Nierenzelle. Was wie Science-Fiction klingt, ist im Labor von Thomas Schlichthärle bereits Realität. Der Professor für AI-Guided Protein Design entwickelt mithilfe künstlicher Intelligenz solche Nanomaschinen, nämlich Proteine, die es so in der Natur nicht gibt. 

Das Spezialgebiet von Thomas Schlichthärle ist das De-novo-Proteindesign. Dabei werden Proteinsequenzen aus Aminosäuren von Grund auf neu entworfen, sodass sie sich zuverlässig in eine ganz bestimmte 3D-Struktur falten und eine spezifische Funktion erfüllen. Um aus den theoretisch unendlich vielen möglichen Sequenzen die vielversprechendsten auszuwählen, nutzt Prof. Schlichthärle maschinelle Lernverfahren, sogenannte Deep-Learning-Algorithmen. „Dank künstlicher Intelligenz können wir viel schneller eine viel größere Menge an möglichen Proteinsequenzen prüfen. Das schafft ungeahnte Möglichkeiten.“ 

Lösungen für die Medikamente von morgen 

Die von ihm und seinem Team entwickelten Proteine kommen beispielsweise in der Organoid-Forschung zum Einsatz. Sie können Stammzellen so beeinflussen, dass diese einen ganz bestimmten Zustand annehmen und sich zum Beispiel zu Herz-, Nieren- oder Pankreaszellen entwickeln. Damit lassen sich gezielt Organoide, also „Mini-Organe“ aus menschlichen Zellen, herstellen. Diese helfen dabei, Krankheiten realistischer zu untersuchen und Medikamente zu testen.  

Auch das von ihm neu entwickelte Protein „Neotrophin”, das an den TrkA-Rezeptor auf der Oberfläche spezialisierter Nervenzellen bindet, hat Potenzial für künftige Medikamente. Bei Verletzungen im peripheren Nervensystem könnte es als Wachstumsfaktor dafür sorgen, dass sich die Nervenzellen wieder regenerieren, ohne die damit normalerweise verbundenen Schmerzen auszulösen. „Wenn wir die molekularen Mechanismen kennen, mit denen Proteine in und auf Zellen wirken, können wir auch gezielt kontrollieren, welche Signalpfade in der Zelle aktiviert werden sollen“, sagt Schlichthärle. Dann ließe sich, wie im Fall von „Neotrophin”, nur das Zellwachstum aktivieren und der Signalweg für Schmerzen außen vor lassen. Ein Start-up aus Seattle will es gemeinsam mit dem Forscher weiterentwickeln und als Medikament auf den Markt bringen.  

Die Faszination für Zukunftstechnologien begleitet Thomas Schlichthärle schon lange. Er liebt die Science-Fiction-Romane von Isaac Asimov, interessiert sich für Bio- und Nanotechnologie und fürs Programmieren. Er studiert Molekulare Medizin in Tübingen und Molecular Bioengineering an der TU Dresden. „Ich wollte verstehen, wie der menschliche Körper ganz genau funktioniert und wie sich neue Methoden entwickeln lassen, um Krankheiten zu begegnen.“  

Seine Masterarbeit schreibt Schlichthärle am Wyss Institute an der Harvard University in Boston, das sich der Translation von Forschungsergebnissen in die Wirtschaft verschrieben hat. Für seine Promotion kehrt er nach Deutschland zurück, ans Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München. Dort beschäftigt er sich mit der Superauflösungsmikroskopie und computergestützten Methoden zur Datenanalyse. Ein zentrales Problem seiner damaligen Arbeit: Um im Mikroskop erkennbar zu sein, müssen die untersuchten Proteine mit sogenannten Labels markiert werden. Zumeist werden dafür Antikörper benutzt. Diese lassen sich jedoch nur mit großem Aufwand für einzelne Bindungstaschen optimieren. Das sind Andockstellen für andere Moleküle auf der Oberfläche von Zellen. Aufgrund ihrer Größe weisen solche Antikörper zudem meist eine geringe Bindungseffizienz auf.    

Proteinentwicklung beschleunigen   

Die Lösung: Anstelle der Antikörper nutzt man kleinere Proteine, die am Computer entworfen und gezielt für einzelne Bindungstaschen optimiert werden. „Das ist eine deutlich schnellere und elegantere Lösung“, sagt Schlichthärle. Um diese Methode zu erlernen, geht er als Postdoc ans Institute for Protein Design der University of Washington in Seattle und arbeitet dort im Labor des Nobelpreisträgers David Baker. Im Juni 2025 wird er an die TUM auf die Professur für AI-guided Protein Design berufen. Diese wurde im Rahmen der Hightech Agenda Bayern neu geschaffen und wird von der Wübben Stiftung Wissenschaft unterstützt.   

Rätsel zu knacken und Probleme zu lösen – das macht Thomas Schlichthärle an seiner Arbeit besonders viel Freude. Mit diesen Fähigkeiten möchte er die Wissenschaft voranbringen, auch über seinen Fachbereich hinaus. „Unsere Methoden und Forschungsergebnisse aus dem Proteindesign sind für Forschende aber auch für Start-up-Teams aus vielen Disziplinen hilfreich“, sagt Prof. Schlichthärle. Als Beispiele nennt er die Entwicklung von Kontrastmitteln für die Magnetresonanztomografie oder von neuen Enzymen für die Herstellung von Zuckerersatzstoffen. 

Neben seiner Forschungsarbeit am TUM Center for Functional Protein Assemblies und am neu gegründeten Center for Smart Drug Design will er an der TUM einen Protein Design Accelerator aufbauen. Diese Serviceeinheit soll die Entwicklung neuer Proteine beschleunigen und Forschenden an der TUM und externen Partnern zur Verfügung stehen. Darüber hinaus ist er am neuen Exzellenzcluster Biosystems Design Munich (BiosysteM) beteiligt. Dort arbeiten Forschende der beiden Münchner Universitäten und weiterer wissenschaftlicher Institute an biomolekularen Maschinen, intelligenten Materialien und neuartigen Zellsystemen – und lassen die Zukunft so ein Stück näher rücken.   

Zur Person

Thomas Schlichthärle studierte im Bachelor Molekulare Medizin in Tübingen und im Master Molecular Bioengineering an der TU Dresden. Nach einem Forschungsaufenthalt am Wyss Institute der Harvard University in Boston, USA, promovierte er am Max-Planck-Institut für Biochemie in München. Anschließend war er als Postdoktorand an der University of Washington in Seattle tätig, wo er neue synthetische Wachstumsfaktoren entwickelte. Im Jahr 2025 wurde er als Professor für AI-guided Protein Design an die TUM berufen. 

Weitere Informationen und Links

• Die Professur wird durch die Hightech Agenda Bayern (HTA) gefördert.

Kontakte zum Artikel

Prof. Dr. Thomas Schlichthärle
AI-guided Protein Design
Technische Universität München
Tel: +49 (89) 289 13349 
E-Mail: thomas.schlichthaerle@tum.de

Technische Universität München
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Undine Ziller
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Originalartikel: https://www.tum.de/aktuelles/alle-meldungen/pressemitteilungen/details/zellen-mit-proteinen-gezielt-aktivieren