Biologische Zahnräder treiben zelluläre Maschine zur Eiweißproduktion an

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Charité – Universitätsmedizin Berlin haben in Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen an mehreren deutschen und US-amerikanischen Forschungsstandorten eine Schlüsselfrage bei der Herstellung von Eiweißen in der Zelle beantworten können. Eine mögliche Anwendung dieser Entdeckung sehen die Forscher, deren Arbeit im führenden Fachmagazin „Nature“* veröffentlicht wurde, in der Entwicklung von verbesserten Antibiotika.

Eiweiße entstehen im Zusammenspiel zweier Ribonukleinsäuren (RNS) in den Ribosomen, den „Eiweißfabriken“ der Zelle. Dabei wird der Bauplan der Eiweiße, die sogenannte Boten-RNS, wie ein Magnetfilm an der Nahtstelle zwischen den beiden Untereinheiten des Ribosoms abgelesen. Anschließend werden die Eiweiße kettenartig aus Aminosäuren aufgebaut. Leser der Boten-RNS und gleichzeitig Träger der Aminosäuren sind die Transfer-RNS. Diese transportieren die zum Aufbau der Eiweiße benötigten Aminosäuren solange zum Ort der Synthese, bis der Bauplan das Ende dieser Arbeit signalisiert. Damit ist der genetische Code, der in der Abfolge der Nukleinsäuren gespeichert ist, von der Nukleinsäurewelt in ein Produkt der Proteinwelt übersetzt worden. Das fertige Eiweiß verlässt dann über einen Tunnel das Ribosom. Unklar war bislang, wie die Boten-RNS und die Transfer-RNS durch das Ribosom bewegt werden.

Den Forschern und Forscherinnen aus Berlin, Marburg, München, Frankfurt/Main, Los Alamos, San Diego, Tallahassee und Houston gelang es nun zu dokumentieren, dass die Bewegung durch gegenläufige Drehungen der beiden Untereinheiten des Ribosoms zustande kommt. „Dabei wird Wärmeenergie genutzt. Diese sorgt für die interne Bewegung des Ribosoms, und dadurch wiederum werden Transfer- und Boten-RNS durch das Ribosom bewegt“, erklärt Prof. Christian Spahn, Direktor des Instituts für Medizinische Physik und Biophysik am Campus Charité Mitte, der die multinationale Forschungsgruppe koordinierte. Vergleichen lässt sich die Arbeit der Untereinheiten des Ribosoms mit einer mechanischen Ratsche. Eine Schlüsselstellung nimmt dabei die Kopfdomäne der kleinen Untereinheit ein, welche die Transfer-RNS wie auf einem Fließband herbeitransportiert. Moderiert wird der Vorgang von einem Helferprotein, das so zu sagen als dynamische Sperrklinke dient und die Bewegung in Zielrichtung gewährleistet.

Die Lösung dieses langjährigen Problems der Molekularbiologie wurde durch die strukturelle Untersuchung mittels dreidimensionaler Kryo-Elektronenmikroskopie ermöglicht. Bei dieser Methode werden die Ribosomen in flüssigem Ethan bei minus 192 Grad Celsius schockgefroren und mehrere 100.000 zweidimensionale Einzelbilder von Ribosomen nach Sortierung in zwei dreidimensionale Rekonstruktionen zurückprojiziert.

*Andreas H. Ratje et al.: Head swivel on the ribosome facilitates translocation by means of intra-subunit tRNA hybrid sites. In: Nature, Volume 468, 02 Dezember 2010, 713–716. DOI: 10.1038/nature09547

Kontakt:
Prof. Christian Spahn
Institut für Medizinische Physik und Biophysik
Campus Charité Mitte
t: +49 30 450 524 131
christian.spahn[at]charite.de