Enthüllungen bei der Proteinfaltung

Echtzeitmessung von einzelnen Molekülen in einem biologischen Schlüsselprozess

  • Christoph Gebhardt in seinem Labor © A. Battenberg/TU München

Damit Eiweiße in unserem Körper ihren Dienst tun können, müssen sie sich zu einer genau definierten, dreidimensionalen Struktur zusammenfalten. Funktioniert diese Faltung nicht, kann dies schwere Erkrankungen zur Folge haben. Wie die Proteine in ihre dreidimensionale Form gelangen ist eine der wichtigsten Fragen der Biowissenschaften und der Medizin.

Viele Details des Proteinfaltungsprozesses sind jedoch noch ungeklärt. Biophysiker um Prof. Matthias Rief von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit der sie die Proteinfaltung am Beispiel eines Reißverschluss-ähnlichen Eiweißes in bisher nie erreichtem Detailgrad beschreiben können.

Proteinfaltung im Blick

Fehlfunktionen in der Proteinfaltung spielen eine entscheidende Rolle bei vielen schweren Krankheiten, darunter Diabetes, Krebs, Mukoviszidose, Prionenerkrankungen und Alzheimer. Ein besseres Verständnis des Faltungsprozesses ist wichtig, um die Kette der Ereignisse von der DNA-Kodierung bis zur biologischen Funktion zu verstehen. Darauf aufbauend könnten dann gezielt wirksame Medikamente entwickelt werden. Viele vorangegangene Studien - einschließlich Experimenten der Arbeitsgruppe von Rief mittels Rasterkraftmikroskopie - haben versucht, die Energieschwellen zu charakterisieren, die zwischen dem ungefaltetem und gefaltetem Zustand eines Proteins bestehen. Detaillierte Beobachtungen des sehr schnellen Übergangs von einem Zustand in den anderen waren aber bisher kaum möglich. Die aktuellen Ergebnisse öffnen nun die Tür zu höher auflösenden, direkten Messungen. Das publizierte Experiment ist das neueste in einer langen Serie von biophysikalischen Experimenten mit einzelnen Molekülen die am Physik-Department der TUM durchgeführt wurden.

Messung von Zwischenstufen

Als Modell für die Echtzeitstudie der Proteinfaltung wählten die Mitarbeiter Christof Gebhardt und Thomas Bornschlögl einen aus Hefe isolierten sog. Leucin-Zipper. Er hat eine - für ein Protein - relativ einfache Struktur und einen Faltungsvorgang ähnlich dem eines Reißverschlusses. Dies kann man sich so vorstellen: Es gibt zwei parallele Ketten von Aminosäuren, die unten zusammengeschlossen und oben offen sind.

Wie bei einem Reißverschluss lagern sich dann die beiden offenen Enden zusammen. Die Forscher erweiterten diese Struktur so, dass sie unabhängige Messungen am oberen, unteren und mittleren Teil des Reißverschlusses machen konnten. Die freien Enden am oberen Teil hielten sie mit Griffen aus doppelsträngiger DNA fest. Die DNA-Griffe wiederum waren an kleine Perlen gebunden, die die Forscher direkt mit einer „optischen Pinzette" manipulieren konnten. Dieses Werkzeug basiert auf der Fähigkeit eines Laserstrahls mit einem speziellen Profil, Objekte im Nanobereich festhalten zu können. Ein Ende des Proteinmoleküls wurde so fixiert. Das andere stand zwar unter Spannung, hatte aber so viel Bewegungsfreiheit, dass die Faltungsdynamik direkt und in Echtzeit gemessen werden konnte.

Dieser Aufbau ermöglichte Messungen mit hoher Auflösung, in der Distanz sowie in der Zeit. Nach Aussagen der Wissenschaftler können so tausende von Zwischenstufen vermessen und erstmals nicht nur Anfangs- und Endzustand angeschaut werden sondern auch die Berge dazwischen.

Literatur
[1] Gebhardt J. C. M. et al.: PNAS Early Edition for the week of Jan. 18, 2010.

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James-Franck-Str. 1
85748 Garching
Deutschland

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