Zukunft Forschung 01/2017

CHEMIE
An Apple a day keeps the doctor
away – Apfel-Allergiker können
dieses Sprichwort leider nicht
bestätigen. Vor allem jene, die auf Birkenpollen
allergisch reagieren, leiden
oft unter Reiz-Symptomen nach dem
Apfelverzehr. „Rund 20 Prozent aller
Menschen in Mitteleuropa leiden an einer
Birkenpollen-Allergie, 70 Prozent davon
haben auch eine Kreuzallergie auf Apfel“,
erklärt Martin Tollinger, assoziierter
Professor am Institut für Organische
Chemie. Dieser Zusammenhang ist auf
die Ähnlichkeit der Struktur bestimmter
Proteine im Birkenpollen und im Apfel
zurückzuführen. „Im Birkenpollen ist das
Protein Bet v 1 für die Allergieauslösung
verantwortlich. Bei Allergikern führt der
Kontakt mit diesem Protein dazu, dass
IgE-Antikörper produziert werden, die
die typischen Allergie-Symptome auslösen“,
erläutert der Chemiker, der sich
umfassend mit dem Allergen in Birkenpollen
beschäftigt hat. „Es wird davon
ausgegangen, dass die Erstsensibilisierung
im Körper durch Bet v 1 erfolgt. Die
dann gebildeten IgE-Antikörper binden
in der Folge allerdings an alle Proteine,
die strukturell ähnlich sind. Man spricht
hier von einer Kreuzallergie.“
Ähnlichkeit bewiesen
Die strukturelle Ähnlichkeit von Birkenpollen-
und Apfel-Allergen konnte zwar
bereits aufgrund der seit 1995 bekannten
DNA-Sequenz vom Apfel abgeleitet werden,
belegt hat sie nun allerdings Martin
Tollinger, der erstmals die Struktur des
Apfelproteins Mal d 1 beschrieben hat.
Da die bisherigen Versuche, das Protein
zu kristallisieren, gescheitert waren,
untersuchte Martin Tollinger das Apfel-
Allergen mithilfe der Kernspinresonanzspektroskopie
(NMR- Spektroskopie).
„Im Zuge unserer Untersuchungen waren
wir mit dem selben Problem konfrontiert,
das Kollegen bisher nicht ermöglichte,
das Protein zu kristallisieren:
Es ist sehr flexibel, was dazu führt, dass
es schwer zu untersuchen ist“, beschreibt
Tollinger die anfänglichen Probleme. Da
das Protein für die NMR-Spektroskopie
aber immer in Lösung untersucht werden
muss, kam Tollingers Dissertantin Linda
Ahammer auf die Idee, dieser Lösung Vitamin
C – das das Protein auch im Apfel
umgibt – zuzugeben. „Die Zugabe von
Vitamin C führte dazu, dass das Protein
starrer wurde, was uns sehr schöne Ergebnisse
in der NMR-Spektroskopie lieferte“,
so Tollinger.
Die so erstmals dargestellte Struktur
des Apfel-Allergens zeigte eine große
Ähnlichkeit zum Birkenpollenallergen
Bet v 1, was die kreuzallergischen Symptome
erklärt. Aus seiner Vorarbeit mit
dem Birkenpollen-Allergen weiß Martin
Tollinger, dass es verschiedene Isoformen
des Allergens Bet v1 gibt, die auch unterschiedlich
im menschlichen Körper wirken.
„Die unterschiedlichen Isoformen
des Allergens werden unterteilt in Bet v
1a, Bet v 1b, Bet v 1c und so weiter. Immunologische
Untersuchungen haben
gezeigt, dass die allergieauslösende Wirkung
der einzelnen Isoformen komplett
unterschiedlich ist: Während Bet v 1a
beispielsweise hyperallergen ist, also die
stärkste Allergieauslösung verursacht,
ist Bet v 1d hypoallergen und löst somit
keine allergischen Beschwerden aus,“
erklärt der Chemiker, der auch davon
ausgeht, dass unterschiedliche Isoformen
des Apfel-Allergens verschieden stark
wirken. „Das würde erklären, warum es
Apfelsorten gibt, die von Allergikern besser
vertragen werden, als andere.“
Flexible Proteine
Grund für diese unterschiedliche Wirkung
der Proteine ist wahrscheinlich ihre
Flexibilität. „Um eine immunologische
Erstreaktion im Körper auszulösen, muss
das Allergen in Peptide umgewandelt
werden. Unterschiedlich flexible Proteine
werden früher oder später in der Zelle
abgebaut – der Zeitpunkt des Abbaus bestimmt
also die weitere immunologische
Reaktion“, erklärt Tollinger. Neben dem
Verzehr einer Apfelsorte, die weniger
Isoformen des hyperallergenen Proteins
enthält, kann es für Apfel-Allergiker auch
hilfreich sein, frisch gepflückte Äpfel zu
bevorzugen. „Mal d 1 ist ein Protein, das
als Stressantwort produziert wird. Das
gepflückt werden und die Lagerung bedeutet
natürlich großen Stress für den
Apfel“, verdeutlicht der Chemiker. In
dieser Tatsache sieht Tollinger auch den
Grund für die Zunahmen der Apfel-Allergien:
„Die Züchtungen – die natürlich
auf robuste Pflanzen, möglichst hohe
Erträge und lange Lagerfähigkeit abzielen
– haben dazu geführt, dass die Apfelsorten,
die den Markt dominieren, eine
höheren Gehalt des Proteins haben, als
alte Sorten, die mittlerweile fast aus dem
Handel verschwunden sind.“
Im Rahmen des Euregio-Projekts
AppleCare arbeitet Tollinger nun gemeinsam
mit dem Versuchszentrum
Laimburg in Südtirol, dem Krankenhaus
Bozen und der Medizinischen Universität
Innsbruck unter anderem daran, jene
Apfelsorten zu ermitteln, die sehr geringe
Mengen des Allergens enthalten
und somit auch Allergikern den unbedenklichen
und eigentlich gesundheitsfördernden
Apfelverzehr ermöglichen
sollen.sr
FÜR SEINE ARBEIT verwendet Martin Tollinger die Methode der Kernspinresonanzspektroskopie
(NMR-Spektroskopie). Das NMR-Spektrometer erzeugt extrem starke Magnetfelder,
die ein- bis zweihunderttausendmal stärker sind als das Magnetfeld der Erde. Um
die Struktur eines Proteins darstellen zu können, geben die Wissenschaftler das Protein in
Form von 0,5 Milliliter wässriger Lösung in das NMR-Spektrometer. Die Wechselwirkungen
mit dem Magnetfeld führen dazu, dass für die einzelnen Atome im Protein unterschiedliche
Signale abgegeben werden und die Wissenschaftler so ein Frequenzspektrum für
das Protein erhalten, mit dessen Hilfe sie den Aufbau und auch die Flexibilität des Proteins
genau bestimmen können. Anfang 2017 konnte mithilfe der F&E-Infrastrukturförderung
der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) ein weiteres NMR-Hochleistungsgerät
für die Strukturanalyse von Biomolekülen und für die organische Strukturanalyse
am Institut für Organische Chemie angeschafft werden, das auch die Arbeit von Martin
Tollinger in Zukunft bereichern wird.
MARTIN TOLLINGER studierte Chemie an der Universität
Innsbruck. Er promovierte 1999. Anschließend ging er als Erwin-
Schrödinger-Stipendiat an die University of Toronto. 2004 kam
er im Rahmen eines Erwin-Schrödinger-Rückkehr-Stipendiums
an die Universität Wien, wo er bis 2010 forschte und sich auch
habilitierte. Seit 2012 ist Martin Tollinger assoziierter Professor am
Institut für Organische Chemie der Universität Innsbruck.
zukunft forschung 01/17 37