Röntgenkristallographie: Strukturverfeinerung unterschätzt die Dynamik von Proteinstrukturen

  • Atommodell des Proteins Villin Kopfstück. Farbe und Größe der Ellipsoide stellen die lokale Dynamik der einzelnen Atome dar. (c) Bojan ZagrovicAtommodell des Proteins Villin Kopfstück. Farbe und Größe der Ellipsoide stellen die lokale Dynamik der einzelnen Atome dar. (c) Bojan Zagrovic
  • Atommodell des Proteins Villin Kopfstück. Farbe und Größe der Ellipsoide stellen die lokale Dynamik der einzelnen Atome dar. (c) Bojan Zagrovic
  • (c) Bojan Zagrovic

Röntgenkristallographie und Röntgenstrukturverfeinerung sind wichtige Methoden zur Aufklärung von Molekülstrukturen in der mordernen Biologie. Am Beispiel der Analyse von Proteinkristallstrukturen demonstrieren Computerbiologen der Max F. Perutz Laboratories der Universität Wien und der Medizinischen Universität Wien nun, dass die Angabe der durchschnitllichen Elektronendichteverteilung nicht immer der beste Weg ist. Die Studie des Teams um Bojan Zagrovic, erschienen im Fachjournal Nature Communications, zeigt, dass Proteinstrukturen wahrscheinlich sehr viel dynamischer und heterogener sind, als gängige Methoden zur Röntgenstrukturanalyse nahelegen.

Wann die Ermittlung des Durchschnitts gut ist und wann nicht?

Generell ist der Durchschnitt eine gute Sache, denn er kann helfen, einen Überblick über verschiedenste Gegebenheiten zu bekommen und das Leben ein ganzes Stück einfacher machen. Auch bei der Analyse wissenschaftlicher Daten wird der Durchschnitt ermittelt und das ist gut so: Wissenschaftler wiederholen ihre Experimente zumeist viele Male und bilden den Durchschnitt aus all ihren Messergebnissen. Nur wenn diese lediglich in geringem Maße voneinander abweichen, werden die Forscher ihren Laborergebnisse Glauben schenken.

Röntgenkristallographie - oder wie die Struktur von Proteinen ermittelt wird

Die Röntgenkristallographie erlaubt es, die Struktur von Proteinen zu ermitteln. Kennen Wissenschaftler die Struktur eines Proteins, können sie nicht nur Rückschlüsse ziehen, was seine Funktion ist und wie es diese ausübt, sondern auch Medikamente entwickeln, die diese Funktion hemmen oder aktivieren. Zur Röntgenkristallographie wird ein Protein aufgereinigt und getrocknet - dabei entsteht ein Kristall aus Abermillionen Kopien des gleichen Proteins. Bestrahlt man diesen nun mit Röntgenstrahlen, erhält man ein Bild von der Anordnung der kleinsten Baueinheiten eines Proteins - den Atomen - und wie dynamisch jedes Einzelne davon ist, d.h.

wie stark es um seine Position schwingen kann. Die Analyse eines Kristalls liefert also den Durchschnitt des Verhaltens von Abermillionen der jeweils gleichen Atome. Man würde annehmen, dass das genug ist um mit ziemlicher Sicherheit Aussagen über die tatsächliche Struktur des Proteins in der Natur machen zu können. Das dem nicht so ist und dass der Durchschnitt einen manchmal täuschen kann, erklärt der Leiter der Studie durch ein anschauliches Beispiel: Würde man zum Beispiel den durchschnittlichen Aufenthaltsort eines Torhüters während eines Fußballspiels bestimmen, bei dem nach der Halbzeit die Teams die Seiten wechseln, würde dieser ziemlich genau in der Mitte des Feldes liegen. Dies sei weit von der Realität entfernt.

Die Atome von Proteinen schwingen bis zu sechsmal stärker als bisher angenommen

Wie genau können also die derzeit verwendeten Programme zur Analyse von röntgenkristallographischen Daten die Struktur und Dynamik eines Proteins bestimmen? Dieser Frage ging Antonija Kuzmanic im Rahmen ihrer Doktorarbeit im Labor von Zagrovic und unterstützt durch dessen Starting Grant des Europäischen Forschungsrates (ERC) nach. In Zusammenarbeit mit Kollege Navraj S. Pannu an der Universität von Leiden, Niederlande, nutze sie Computersimulationen um einen Proteinkristall zu "bauen" und diesen röntgenkristallographisch zu untersuchen. Die dabei gewonnen Daten wurden schließlich mit den derzeit gängigen Softwareprogrammen ausgewertet und die Struktur des Proteins bestimmt. Dieser experimentelle Aufbau erlaubte es Antonija Kuzmanic Rückschlüsse darauf zu ziehen, ob und wie genau die momentanen Analysemethoden wirklich das "sehen" was da ist. Man sei  überrascht gewesen, als festgestellt wurde, dass die gängigen Programme zur Analyse röntgenkristallographischer Daten zur Strukturbestimmung von Proteinen die Dynamik innerhalb des Proteins - also wie stark jedes einzelne Atom um seine Position schwingen kann - völlig unterschätzen. Die Daten zeigen, dass die Beweglichkeit der Atome bis zu sechsmal höher sei. Das sei, als ob man seinen Kopf plötzlich um 180 Grad drehen könnte, statt nur nach links oder rechts, wie Antonija Kuzmanic erklärt.

Inspirierende Arbeit

Garib Murshudov von der Universität Cambridge in England, Strukturbiologe und einer der Gutachter der Doktorarbeit von Antonija Kuzmanic, schrieb: Die Arbeit sei inspirierend und zeige ganz eindeutig, dass neue Methoden benötigt würden, um die Dynamik von Proteinen in Kristallen zu beschreiben.

Solche Programme zur genaueren Analyse röntgenkristallographischer Daten und zur Bestimmung der Dynamik eines Proteins werden nicht nur ein realistischeres Bild von der Struktur eines Proteins in der Natur geben - also davon, wo der Torhüter sich tatsächlich aufhält und wie er sich bewegt - sondern auch helfen neue Medikamente zu entwickeln, die die Funktion eines Proteins gezielter und effizienter regulieren können.

Originalpublikation:
Kuzmanic A. et al.: X-ray refinement significantly underestimates the level of microscopic heterogeneity in biomolecular crystals, Nature Communications (2014)

www.mfpl.ac.at/de

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