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Medizin

15. Februar 2019 Membranproteine: Funktionsweise von Insertase und Translokase identifiziert

Viele Proteine mit wichtigen biologischen Funktionen sind in den Zellen von Menschen und anderen Lebewesen in eine Biomembran eingebettet. Forscher am Departement für Biosysteme der ETH Zürich haben diesen Mechanismus untersucht.
Fast ein Drittel aller Proteine von Lebewesen stecken in einer Biomembran fest – entweder in der Außenmembran einer Zelle oder in den Abgrenzungen zellinterner Kompartimente. Dort übernehmen diese Membranproteine wichtige Aufgaben, beispielsweise als molekulare Schleusen, welche Stoffwechselprodukte und Nährstoffe durch die Membran transportieren, oder als Sensorproteine, um die Zellumgebung zu erfassen.

Einzelmolekül-Kraftspektroskopie

Wie Membranproteine überhaupt in die Membranen reinkommen, haben Forschende unter der Leitung von Daniel J. Müller, Professor am Departement für Biosysteme der ETH Zürich in Basel, nun untersucht. Sie nutzten dazu eine hochpräzise Methode, mit denen sie einzelne Proteine aus Membranen herausziehen, beziehungsweise auf Membranen deponieren können. Einzelmolekül-Kraftspektroskopie nennt sich die Methode, bei der eine computergesteuerte und nur wenige Nanometer dicke Blattfeder präzise an einen Ort auf einer Membranoberfläche gelenkt werden kann. Molekulare Adhäsionskräfte sorgen dafür, dass sich ein dort befindendes Protein an die Blattfeder haftet.

Insertase und Translokase

In Experimenten mit bakteriellen Proteinen konnten die Forscher die Rolle von 2 Helferproteinen aufklären, welche es den Membranproteinen ermöglichen, sich in die Membran einzufügen: Insertase und Translokase. Ersteres ist ein Protein, letzteres ein Komplex aus mehreren Proteinen. Beide sorgen dafür, dass sich in der Membran eine Pore öffnet. „Im Fall der Insertase kann man sich diese Pore als Rutschbahn vorstellen. Das Membranprotein liegt zunächst als unstrukturierter Peptid-Faden vor, der auf dieser Rutschbahn in die Membran gleitet. In der Membran organisiert sich dieser Peptid-Faden dann zu seiner funktionellen 3-dimensionalen Form“, erklärt ETH-Professor Müller. „Ist das Membranprotein schließlich erfolgreich 3-dimensional geformt und in der Membran verankert, löst sich das Helferprotein los und bildet an anderer Stelle in der Membran eine Rutschbahn für das nächste Protein.“

Wie diese Helferproteine funktionieren, wurde bisher nur ungenau und nur mit sehr kleinen Proteinbruchstücken oder außerhalb von Biomembranen untersucht. „Wir haben nun zum ersten Mal Schritt für Schritt beobachtet und beschrieben, wie sich ein ganzes Protein in eine Membran einfügt und 3-dimensional formt“, sagt Tetiana Serdiuk, Erstautorin der Studie.

Dabei konnten die ETH-Forscher auch die unterschiedlichen Arbeitsweisen von Insertasen und Translokasen aufzeigen: Insertasen fügen Peptid-Fäden verhältnismäßig schnell, jedoch unkoordiniert in die Membran ein. Translokasen hingegen fügen Peptid-Fäden Abschnitt für Abschnitt in die Membran ein und sind daher bei komplexeren Proteinen besser geeignet.

Medizinische Anwendbarkeit

Da rund die Hälfte aller Medikamente auf Membranproteine wirken, ist es sehr wichtig, die Formung und Funktionsweise dieser Membranproteine zu verstehen. Darüber hinaus könnte die Einzelmolekül-Kraftspektroskopie in zusätzlichen Anwendungen zum Zug kommen: Im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts „Molecular Systems Engineering“ arbeiten Müller und weitere Wissenschaftler an der Entwicklung künstlicher biologischer Zellen. „Die Methode könnte verwendet werden, um Membranhüllen maßgeschneidert mit Proteinen zu bestücken und damit zu programmieren“, so Müller. „Solche künstlichen Zellen könnten dereinst als molekulare Fabriken für die industrielle Produktion von medizinischen Wirkstoffen eingesetzt werden.“

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)


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