Forschung & Entwicklung

Licht im Maschinenraum eines Helferproteins

Bewegungen in Proteinen mit hoher Orts- und Zeitauflösung zu beobachten, ermöglicht eine neue Technik. Somit lassen sich Einblicke in den Funktionsmechanismus ganz spezieller Proteine gewinnen.

Lebende Zellen bestehen aus einer Vielzahl an Proteinen, die sich während der Faltung und beim Ausführen ihrer Funktionen jedoch häufig ins Gehege kommen. Komme es bei diesem Gedränge zu Fehlern in der Faltung oder in der Funktion, könnten diese eine Reihe von Erkrankungen bis hin zu Krebs auslösen, erklärt Dr. Hannes Neuweiler, Gruppenleiter am Lehrstuhl für Biotechnologie & Biophysik der Universität Würzburg. Zusammen mit seiner Arbeitsgruppe hat er eine Technik entwickelt, durch die Proteine bei der Arbeit mit hoher Orts- und Zeitauflösung beobachtet werden können.

Die Forscher haben sich für diese Arbeit auf sogenannte Helferproteine (Chaperone) konzentriert. „Chaperone greifen sich andere Proteine, die Hilfe benötigen. Sie helfen ihren „Patienten“ bei der Faltung, aktivieren sie, indem sie ihre Form verändern, und verhindern unerwünschte Zusammenlagerungen“, beschreibt Neuweiler.

Eine außergewöhnliche Variante solcher Helferproteine ist das Hitzeschockprotein Hsp90. Es zählt zu den am häufigsten vorkommenden Proteinen in der lebenden Zelle. Sein genauer Funktionsmechanismus ist bislang nur teilweise verstanden.

Bisher war bekannt, dass das Chaperon einer molekularen Klammer ähnelt, die sich öffnet und schließt, während es seinen „Patienten“ verarztet. Mit Hilfe kristallographischer Methoden und der Technik der Röntgenbeugung haben Forscher in der Vergangenheit atomar aufgelöste Strukturen von Hsp90 ermittelt, die Schnappschüsse aus dem Maschinenraum des Helferproteins zeigen. „Bis zum heutigen Tage war es jedoch nicht möglich, diese Mechanik von Hsp90 bei der Arbeit in wässriger Lösung zu beobachten“, erklärt Neuweiler.  

Das hat sich jetzt geändert: Die Wissenschaftler haben hochauflösende Fluoreszenzsonden entwickelt, mit deren Hilfe es möglich ist, diese Bewegungen in Hsp90 zu beobachten. Wie ein Leuchtfeuer, das bei Strukturänderung ein- und ausgeschaltet wird, zeigen die Sonden an, wann und auf welcher Zeitskala eine Bewegung in der molekularen Maschine stattfindet.

Hierbei machen sich die Forscher das Phänomen der Fluoreszenzlöschung durch photoinduzierten Elektronentransfer zu Nutze. Das Prinzip: Synthetische Farbstoffmoleküle, die unter normalen Umständen Licht aussenden, werden bei Kontakt mit der natürlich vorkommenden Aminosäure Tryptophan durch eine photochemische Reaktion ausgeschaltet. Neuweiler und Mitarbeiter haben solche Farbstoffmoleküle nun an ausgewählte Stellen in Hsp90 in die Nachbarschaft von Tryptophan eingebracht und das Chaperon dadurch mit Bewegungsmeldern ausgestattet. Die Ergebnisse zeigen, dass sich lokale Strukturelemente in Hsp90 synchron bewegen, während die molekulare Klammer sich schließt. Das kooperierende Protein Aha1, ein sogenanntes Co-Chaperon, legt den Hebel eines ausgewählten Strukturelements von Hsp90 in einer frühen Phase um und beschleunigt somit den Vorgang.

In zukünftigen Arbeiten wollen die Wissenschaftler nun mit Hilfe der neuen Fluoreszenztechnik weitere Strukturänderungen in Hsp90 und die Wirkungsweise anderer Co-Chaperone beleuchten. Von den Untersuchungen am Einzelmolekül mit Hilfe sensitiver bildgebender Verfahren erwarten sie neue Einblicke in die Mechanik von Helferproteinen und damit auch Erkenntnisse über die Entstehung von Krankheiten.

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