Ludwig-Maximilians-Universität München
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Proteindynamik

Molekulare Maschinen in Aktion

München, 05.10.2018

LMU-Wissenschaftler haben mit einer speziellen Bildgebungsmethode aufgeklärt, wie sich Membranproteine in ihrer Struktur verändern, wenn sie Moleküle aus der Zelle schleusen.

Analyse des Membrantransportproteins McjD mittels Einzelmolekül-FRET. Oberflächenscan in Falschfarbendarstellung (orange, doppelt markierte sMcjD; grün, McjD nur mit Spenderfluorophor; rot, McjD nur mit Akzeptorfluorophor). Bild: Cordes

Proteine erfüllen als molekulare Maschinen zahlreiche Aufgaben in der Zelle. Um die grundlegenden Mechanismen ihrer Funktionen aufzuklären, wurden bisher vor allem Analysen ihrer dreidimensionalen Struktur eingesetzt. „Dies allein reicht aber nicht“, sagt Thorben Cordes, Professor für Physikalische und Synthetische Biologie an der LMU, „wir müssen auch ihre Bewegungen und Strukturänderungen innerhalb einer Reaktion verstehen.“ Cordes hat sich mit seiner Gruppe darauf spezialisiert, solche Dynamiken sichtbar zu machen. In Kooperation mit Wissenschaftlern des Imperial College, London, und der Universität Groningen ist es ihm nun erstmals gelungen, zu zeigen, wie sich Membrantransportproteine in Echtzeit bewegen. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin EMBO Journal.

Die von den Wissenschaftlern untersuchten ABC-Transporter sind essenzielle Membranproteine, die an zahlreichen zellulären Prozessen beteiligt sind, darunter Nährstoffimport, Entgiftung und Immunreaktion. Alle ABC-Transporter bestehen aus zwei Modulen: Die sogenannte Transmembrandomäne bildet die eigentliche Schleuse, durch die Substrat exportiert wird, während die Nukleotidbindungsdomäne die dafür nötige Energie erzeugt, indem sie ATP, die Energiewährung der Zelle, aufspaltet.

Um sichtbar zu machen, wie ABC-Transporter Substrat durch die Membran schleusen, setzten die Wissenschaftler erstmals die sogenannte Einzelmolekül-FRET-Methode ein. Mit dieser Methode können sie sowohl Änderungen der räumlichen Struktur als auch Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Protein-Einheiten analysieren, indem empfindliche Mikroskope abstandsabhängige Veränderungen des Fluoreszenz-Lichts zweier Farbstoffe erfassen. „Auf diese Weise konnten wir zeigen, dass der Transport durch die Membran große Konformationsänderungen erfordert“, sagt Cordes. Beide Module des Transportproteins besitzen eine offene und eine geschlossene Form. Im Ausgangszustand ist die Nukleotidbindungsdomäne nach innen geöffnet. Diffundiert ATP hinein, schließt sich dieses Modul. Befindet sich gleichzeitig Substrat in der Transmembrandomäne – und nur dann – öffnet sich deren Schleuse nach außen, entlässt das Substrat und schließt sich wieder. Anschließend wird das ATP gespalten und die gewonnene Energie genutzt, um die Nukleotidbindungsdomäne wieder zu öffnen.

Die Wissenschaftler hoffen, dass sich Einzelmolekül-FRET als Methode für weitere Analysen von ABC-Transportern durchsetzt. „Diese Transporterklasse ist auch an der Entstehung verschiedener Krankheiten – etwa Mukoviszidose – und Tumorresistenzen beteiligt“, sagt Cordes. „Ein besseres Verständnis der Transportzyklen könnte auch neue Therapiemöglichkeiten eröffnen.“
The EMBO Journal 2018