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Biomolekül verhält sich unter künstlichen Bedingungen natürlicher als erwartet

02.02.2016

Forscher untersuchen Biomoleküle oft isoliert im Reagenzglas, und es ist fraglich, ob die Ergebnisse auf dicht gepackte Zellen übertragbar sind. Ein Team aus Bochum, Dortmund und Greifswald verfolgte die Faltung einer RNA-Struktur in der lebenden Zelle und verglich die Ergebnisse mit Tests im Reagenzglas.

Das Team beobachtete das Verhalten einer RNA-Struktur aus dem Mikroorganismus Salmonella in drei verschiedenen Szenarien: in einer lebenden Zelle; in wässriger Lösung ohne Zusätze; und in wässriger Lösung mit verschiedenen Zusätzen, die die Moleküle in Zellen nachahmen sollten.


Faltungsexperimente in dicht gedrängten Lösungen im Reagenzglas sowie in der lebenden Zelle erlauben es, die Stabilität einer RNA-Haarnadel räumlich und zeitlich aufgelöst zu verfolgen.

© David Gnutt

Künstliche Zusätze beeinflussen RNA-Verhalten

Die Zusätze im Reagenzglas beeinflussten das Verhalten des RNA-Moleküls, und zwar abhängig von der chemischen Art des Zusatzes sowie seiner Konzentration und Größe. Basierend auf diesen Ergebnissen erwarteten die Forscher, dass sich das RNA-Molekül in der lebenden Zelle – die dicht gepackt mit verschiedenen Molekülen ist – ebenfalls anders verhalten würde als das RNA-Molekül in wässriger Lösung ohne Zusätze.

„Überraschenderweise fanden wir im Mittel keine Unterschiede zwischen der lebenden Zelle und der verdünnten wässrigen Lösung“, sagt Juniorprofessor Dr. Simon Ebbinghaus vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie II der Ruhr-Universität Bochum, der die Ergebnisse mit RUB-Kollegen aus der Biologie sowie Kollegen der TU Dortmund und der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald in den Zeitschriften „Angewandte Chemie“ und „Angewandte Chemie International Edition“ beschreibt.

Zelle und verdünnte wässrige Lösung vergleichbar

„Das zelluläre Milieu ist aufgrund einer Vielzahl an Makromolekülen hoch konzentriert und zähflüssig, ähnlich wie wir es mit den künstlichen Zusätzen nachgestellt haben“, erklärt Ebbinghaus. „Trotzdem scheint die Zellumgebung die RNA-Stabilität im Gegensatz zu den künstlichen Zusätzen nur geringfügig zu ändern.“

In der Studie untersuchten die Wissenschaftler ein RNA-Thermometer mit einer haarnadelförmigen Struktur. Bei erhöhter Temperatur schmilzt die Form auf, was in Mikroorganismen eine Hitzeschockreaktion auslöst. Durch eine Farbmarkierung an den Enden der Struktur konnten die Forscher verfolgen, ob sich die Haarnadel unter den verschiedenen Bedingungen entfaltete oder nicht.

Starke Schwankungen in der RNA-Stabilität in lebenden Zellen

In der lebenden Zelle schwankte die Stabilität des RNA-Thermometers wesentlich stärker als im Reagenzglas. Dynamische Veränderungen im Zellmilieu könnten die RNA-Faltung kontinuierlich beeinflussen, vermuten die Forscher. Die Zellumgebung könnte somit einen wichtigen Faktor für die Regulation und Modulation verschiedener biologischer Prozesse darstellen.

Förderung

Die Ergebnisse entstammen einer Kooperation im Rahmen des Exzellenzclusters RESOLV (Ruhr Explores Solvation, EXC 1069), den die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert. Des Weiteren wurde die Studie unterstützt durch das Rückkehrerprogramm des Ministeriums für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes NRW sowie die International Graduate School of Neuroscience der Ruhr-Universität.

Originalveröffentlichungen

M. Gao, D. Gnutt, A. Orban, B. Appel, F. Righetti, R. Winter, F. Narberhaus, S. Müller, S. Ebbinghaus (2016): RNA hairpin folding in the crowded cell, Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/anie.201510847

M. Gao, D. Gnutt, A. Orban, B. Appel, F. Righetti, R. Winter, F. Narberhaus, S. Müller, S. Ebbinghaus (2016): Faltung einer RNA-Haarnadel in der dicht gedrängten Zelle, Angewandte Chemie, DOI: 10.1002/ange.201510847

Weitere Informationen

Prof. Dr. Simon Ebbinghaus, Lehrstuhl für Physikalische Chemie II, Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität Bochum, Tel. 0234/32-25533, E-Mail: Simon.Ebbinghaus@rub.de

Dr. Julia Weiler | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/

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