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Aus Einsichten. Das Forschungsmagazin

Aus dem Eiweiß-Drucker

München, 05.01.2017

Ribosomen arbeiten wie riesige molekulare Maschinen und machen aus dem genetischen Text ein Produkt: eine Kette von Proteinbausteinen, die sich dreidimensional auffaltet. Strukturbiologe Roland Beckmann untersucht, wie sie konstruiert sind.

Um die Arbeit riesiger molekularer Maschinen in bester Auflösung abzubilden, braucht es Rechnerleistung. Roland Beckmann (links) im Serverraum. Foto: Jan Greune

Wenn man Roland Beckmann einen Grundlagenforscher nennt, trifft das wohl in einem doppelten Sinne zu. Er untersucht Prozesse, wie sie zu jeder Zeit in jeder einzelnen Zelle jedes Lebewesens ablaufen. Und er analysiert sie und die daran beteiligten Biomaschinen bis in kleinste Details von Aufbau und Funktion. Berichtet der Strukturbiologe davon, beginnt eine gedankliche Reise tief in hinein in das Innere des Körpers, in einen Mikrokosmos von biologischen Maschinen und ganzen Fertigungsstraßen im Nanomaßstab, von komplexen Riesenmolekülen, die ihrerseits Moleküle fertigen, verpacken und versenden.

Beckmann, Biochemie-Professor am Genzentrum der LMU, hat sich auf die Untersuchung sogenannter Ribosomen spezialisiert, die bereits Schulbücher als die „Orte der Eiweißsynthese“ klassifizieren. Doch längst nicht alle Strukturdetails sind bekannt, immer wieder entdecken Wissenschaftler Einzelheiten zur Steuerung und Dynamik der Prozesse. Die Protein-Produktion indes ist ein echtes Massenphänomen: Hefezellen können bis zu 200.000 Ribosomen enthalten, menschliche Leberzellen sogar mehr als eine Million. Wenn man sich vor Augen führt, dass erwachsene Menschen aus mehr als einer Billion Zellen bestehen, kann man ermessen, welche Präsenz und Vordringlichkeit die Eiweiß-Produktion in jeder Sekunde unseres Daseins in unserem Inneren hat. Und damit nicht genug: „Was die Ribosomen leisten, ist wahre Fließbandarbeit“, sagt Beckmann,

Doch wie genau baut eine Zelle nach dem genetischen Bauplan, der in ihrem Erbgut gespeichert ist, aktive Proteine? Das ist die eine zentrale Frage, die der LMU-Forscher ins Zentrum seiner Forschung stellt. Biochemiker wie Roland Beckmann erarbeiten neue Verfahren, wie sie solche genregulatorischen Prozesse messen, analysieren und modellieren können. Sie wollen so die Komplexität biologischer Systeme besser erfassen, insbesondere das komplexe Zusammenspiel im Inneren einer Zelle, einem ausgeklügelten System, in dem alle mögliche Kräfte und Signalstoffe das Zusammenspiel regeln. Zellen bestehen jeweils aus der Zellmembran, dem Zellkern und den Organellen im Inneren, die für wichtige Aufgaben zuständig sind. Der Zellkern enthält das Erbgut und steuert alle Funktionen einer Zelle, die Mitochondrien produzieren Energie, die Ribosomen bauen Proteine.

Information aus der genetischen Textsammlung
Im Prinzip haben die Forscher gut verstanden, wie Ribosomen arbeiten. In den molekularen Maschinen werden aus den Informationen, die dem Erbgut, dem Genom, eingeschrieben sind, Proteine gebaut. Das Genom könnte man mit einer Textsammlung, einem Buch oder einer detaillierten Bauanleitung, vergleichen, es erhält letztlich erst einen Sinn, wenn es jemand herausnimmt, liest und den Inhalt oder Teile dessen zu etwas Brauchbaren verarbeitet. Genau das tun die Ribosomen: Nach den Buchstaben des genetischen Textes fertigen sie Proteine, die der Körper für vielfältige Aufgaben braucht: als Enzyme und Funktionseiweiße, die an der Abwehr von Feinden und dem Aufbau der Zelle ebenso beteiligt sind wie am Stoffwechsel. Die Ribosomen drucken diese Moleküle sozusagen im 3-D-Format.

Im Detail ist das natürlich komplizierter. Die Gene übertragen ihre Informationen auf die sogenannte Boten-RNA (mRNA). Dieser Einzelstrang, der die kodierte Erbinformation enthält, fädelt in die kleine Untereinheit des Ribosoms ein, sie legt sich dabei wie eine Kette in einen Radkranz. Das Codesystem ist raffiniert und effektiv zugleich. Drei Basen der mRNA bilden jeweils ein sogenanntes Triplett oder Kodon, aus ihrer spezifischen Kombination entnimmt das Ribosom, welche Aminosäure es als nächstes an die entstehende Kette aus Eiweißbausteinen einbauen soll. Nach diesem Prinzip wäre es möglich, 64 verschiedene Aminosäuren zu kodieren, da es vier verschiedene Basen gibt und damit vier mal vier mal vier Kombinationsmöglichkeiten für ein Triplett. Proteine sind aber nur aus 20 verschiedenen Aminosäuren zusammengebaut. Deshalb gibt es für einige von ihnen mehr als ein Kodon, zudem erhält das Ribosom auch ein Start- und Stoppsignal über eigene Basenkombinationen. Das Ribosom arbeitet die Aminosäure-Codes nacheinander ab, einen nach dem anderen.

Die Proteinmaschinen fügen manchmal tausende Aminosäure-Bausteine Stück für Stück aneinander. Und am Ende wird das Eiweiß über einen zehn Nanometer, also ein Milliardstel Zentimeter, langen Kanal in der großen Untereinheit des Ribosoms herausgeleitet, je nach Verwendungszweck als bereits dreidimensional gefaltetes Molekül oder noch ungefaltete Kette. „Es ist faszinierend, dass alle Organismen, egal ob Mensch oder Mikrobe, diese Maschinen haben“, sagt Beckmann. „Alle Lebewesen bedienen sich im Prinzip derselben genetischen Sprache und derselben Schriftcodes. Es sieht so aus, als habe sich dieser Code schon sehr früh in der Evolution ausgebildet“, sagt Beckmann. „Im Lauf der Zeit sind die Ribosomen dann allmählich immer komplexer geworden.“

Strukturbiologen weltweit haben in den vergangenen beiden Jahrzehnten herausgearbeitet, dass die Ribosomen sich im Wesentlichen aus zwei Untereinheiten zusammensetzen, einer kleinen und einer großen. Je nach Lebewesen sind sie leicht unterschiedlich aufgebaut. Dass die Wissenschaftler gerade in jüngster Zeit so rasant vorankommen, verdanken sie der sogenannten Kryo-Elektronenmikroskopie. „Technologie ist für uns entscheidend“, sagt Beckmann. Die Methode habe er während seiner Postdoc-Zeit an der Rockefeller University in New York im Labor von Günter Blobel kennengelernt, nicht aber beim späteren Nobelpreisträger selbst, sondern bei Joachim Frank, einem Pionier der Technik, der damals in Albany Strukturuntersuchungen damit machte. „Die Kryo-Elektronenmikroskopie war Neuland“, sagt Beckmann. Die Technologie sollte die Basis für sein heutiges Forschungsfeld werden.

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Den Wert des Schreibens – und nicht nur des journalistischen Schreibens – untersuchen LMU-Wissenschaftler aus ganz unterschiedlichen Blickwinkeln. Das zeigt das neue Heft des LMU-Forschungsmagazins Einsichten. Die Literaturwissenschaftlerin Inka Mülder-Bach analysiert Prosa als Ausdruck und Formgeber der Moderne, als Begriff für einen „Weltzustand”. Die Kulturwissenschaftler Jens-Uwe Hartmann, Andreas Kaplony und Walther Sallaberger gewinnen aus alten Handschriften tiefe Einblicke in Struktur und Alltag früherer Gesellschaften. Schreiben und veröffentlichen, das ist der Nachweis wissenschaftlichen Erfolges: Wie könnte dieses Bewertungssystem in einer neuen Publikationskultur funktionieren, die vornehmlich auf Open Access setzt, den freien Zugang zu allen Veröffentlichungen im Netz? Darüber diskutieren der Molekularbiologe Peter Becker, der Physiker Jan Lipfert und der Volkswirt Joachim Winter. Und der Biochemiker Roland Beckmann untersucht die Mechanismen, mit denen molekulare Maschinen den genetischen Text lesen und danach Proteine in hoher Auflage fertigen.

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