Expressionssysteme

Expressionssysteme sind Systeme zur kontrollierten Expression rekombinanter Gene in lebenden Zellen oder in zellfreien Systemen. Sie dienen der Produktion von Proteinen, Enzymen oder RNA-Molekülen und ermöglichen die Untersuchung von Genfunktionen, Strukturen und Funktionen.

Am häufigsten genutzt sind biologische Wirtsysteme. Prokaryotische Expressionssysteme wie Escherichia coli bieten schnelle Wachstumsraten und einfache Handhabung, liefern aber häufig fehlgefaltete Proteine ohne eukaryotische posttranslationale Modifikationen (PTMs). Von Hefen wie Saccharomyces cerevisiae oder Pichia pastoris stammen moderat komplexe PTMs. Säugerzellsysteme wie CHO- oder HEK293-Zellen liefern menschenähnliche PTMs, sind aber kostenintensiver. Pflanzliche Expressionssysteme, beispielsweise in Nicotiana benthamiana, bieten Skalierbarkeit und unterschiedliche PTMs.

Die Expression wird durch Vektoren gesteuert, meist plasmidbasiert oder viral. Wichtige Komponenten sind Promotoren (konstitutiv oder induzierbar), Replikations- und Selektionsmarker sowie Signalpeptide oder Tags zur Proteinreifung, Faltung und Reinigung. Induzierbare Systeme ermöglichen kontrollierte Expression, was für empfindliche Proteine vorteilhaft ist.

Anwendungen reichen von der Grundlagenforschung bis zur industriellen Produktion von Therapeutika, Enzymen und Impfstoffen. Wichtige Kriterien sind Ausbeute, richtige Faltung, posttranslationale Modifikationen, Geschwindigkeit und Kosten. Die Wahl des Systems hängt vom Zielprotein, dessen Modifikationen, Skalierbarkeit und regulatorischen Anforderungen ab.

Sicherheit, Ethik und Regulierung spielen in klinischen Anwendungen eine zentrale Rolle. Genehmigungen, Qualitätskontrollen und Reproduzierbarkeit sind integraler Bestandteil der Nutzung von Expressionssystemen.