Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Blaues Blut des Kaiserskorpions durchleuchtet

15.05.2012
Mainzer Biologen gelingt erstmals die Kristallisation vom Hämocyanin des Kaiserskorpions – Struktur und aktives Zentrum des riesigen Sauerstofftransportproteins sichtbar gemacht

Der Kaiserskorpion (Pandinus imperator) gehört nicht nur zu den größten Skorpionen überhaupt, sondern fällt auch durch die ungewöhnliche Größe eines Proteins aus dem Rahmen. Sein Blutfarbstoff Hämocyanin ist ein Proteinkomplex aus 24 Untereinheiten und gehört zu den größten Proteinen – vergleichbar dem Ribosom oder sogar kleinen Viren.


Hämocyanin des Kaiserskorpions
Abb.: Jaenicke E et al (2012), PLoS One

Mainzer Wissenschaftlern ist es nun erstmals gelungen, Kristalle des Kaiserskorpion-Hämocyanins zu züchten. Damit kann eine genaue Strukturanalyse mit Hilfe von Röntgenstrahlen durchgeführt werden. Bisher werden sehr große Proteinstrukturen wie die des Hämocyanins meist durch Elektronenmikroskopie untersucht, die allerdings aus methodischen Gründen keine Auflösung erreichen, um einzelne Atome zu unterschieden. Mit der Röntgenkristallographie kann die Struktur von Proteinen jedoch noch genauer erforscht und im günstigsten Fall die räumliche Anordnung einzelner Atome ermittelt werden. Das ist die Voraussetzung, um zu verstehen, wie diese riesigen Proteinkomplexe funktionieren.

Hämocyanine sind außerordentlich große Atmungsproteine, die bei Weichtieren und Gliederfüßern den Sauerstoff im Blut transportieren. Der Sauerstoff bindet bei diesen blauen Blutproteinen zwischen zwei Kupferatomen, während er bei Menschen in den roten Blutkörperchen an Eisen andockt. Das Faszinierende an Hämocyanin ist für die Biologen, dass zur Aufnahme von Sauerstoff, für seinen Transport und die Abgabe je nach Tierart bis zu 160 Sauerstoffbindungszentren in einem Proteinkomplex miteinander kommunizieren. Diese als Kooperativität bezeichnete Eigenschaft, die beispielsweise in der Nanotechnologie angewendet werden könnte, um molekulare Schalter zu bauen, ist in der Natur einmalig – und kann im Detail nur durch Strukturaufklärung mit atomarer Auflösung verstanden werden.

Am Institut für Biophysik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist es nun Prof. Dr. Elmar Jaenicke erstmals gelungen, den blauen Hämocyanin-Proteinkomplex des Kaiserskorpions zu kristallisieren. Dies ist der entscheidende erste Schritt zur Röntgenstrukturaufklärung, denn Kristalle sind die Voraussetzung dafür, dass die Röntgenstrahlung richtig gebeugt wird und die Struktur entschlüsselt werden kann. Die Kristallisation ist bei sehr großen Proteinkomplexen besonders schwierig. „Es ist ein bisschen ein Glücksspiel“, sagt Jaenicke über das Kristallisationsverfahren, das von vielen Faktoren wie zum Beispiel dem ph-Wert, dem Salzgehalt der Lösung und der Temperatur abhängig ist. „Der entscheidende Schritt ist immer die Bildung eines Kristallisationskeims.“ Jaenicke zufolge kann das allerdings Monate dauern und erfordert viel Geduld. Manchmal zieht sich die Optimierung der Kristallisationsbedingungen über mehrere Jahre hin. Dies ist auch der Grund warum bisher weltweit nur eine Handvoll Strukturen von sehr großen Proteinkomplexen mit Röntgenstrukturaufklärung gelöst wurde. Eine davon, die des Ribosoms, wurde 2009 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Die Kristalle werden im Röntgenstrahl vermessen und die Struktur in einem aufwendigen Verfahren aus der gestreuten Röntgenstrahlung berechnet. Im Fall des Kaiserskorpion-Proteins gelang es den Wissenschaftlern um Jaenicke vorerst, eine Struktur mittlerer Auflösung (6,5 Ångström) zu erhalten, bei der man Sekundärstrukturelemente wie α-Helices sehen kann, aber beispielsweise noch keine einzelnen Aminosäuren. Zum Vergleich: Wäre das Protein ein Backsteinhaus und man würde seine Struktur aus großer Entfernung mit dem Fernrohr ermitteln wollen, dann wären bei der jetzigen Auflösung Fenster, Türen und auch der Briefkasten sichtbar, aber noch nicht die Lage von einzelnen Backsteinen. „Wir haben einen Anfangspunkt gesetzt und können jetzt schon Teile des aktiven Zentrums des Moleküls sehen. Nun sind wir auf dem Weg, mit einer weiteren Verbesserung unserer Kristalle auch eine atomare Auflösung zu erzielen, was mit keiner anderen Methode möglich ist.“ Laut Jaenicke würde das Sauerstoffbindungsprotein des Kaiserskorpions dann zu den fünf größten Strukturen gehören, die bis heute mit Röntgenstrukturanalyse aufgeklärt worden sind.

An der Johannes Gutenberg-Universität Mainz besteht eine ideale Infrastruktur zur Strukturforschung an sehr großen Proteinkomplexen, die in dieser Form nur an wenigen Forschungseinrichtungen weltweit betrieben werden kann. Dabei wird mit der Röntgenstrukturaufklärung am Institut für Molekulare Biophysik (AG Decker, AG Jaenicke) der atomare Auflösungsbereich und mit der Cryo-Elektronenmikroskopie am Institut für Zoologie (AG Markl) der mittlere Auflösungsbereich abgedeckt. Die am Institut für Molekulare Biophysik verwendete neue Röntgen-Drehanode produziert fokussierte Röntgenstrahlung, die von der Intensität mit einer Synchrotron-Beamline der zweiten Generation vergleichbar und somit ideal geeignet ist, um in die Struktur von Riesenmolekülen vorzudringen.

Abbildung:
Hämocyanin des Kaiserskorpions (Modell des 24-meren Proteinkomplexes und Elektronendichte am aktiven Zentrum, an dem der Sauerstoff gebunden wird)

Quelle: Jaenicke E et al (2012), PLoS One 7(3):e32548

Veröffentlichung:
Elmar Jaenicke, Bruno Pairet, Hermann Hartmann, Heinz Decker
Crystallization and Preliminary Analysis of Crystals of the 24-Meric Hemocyanin of the Emperor Scorpion (Pandinus imperator)
PLoS ONE, 5. März 2012
DOI:10.1371/journal.pone.0032548
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Elmar Jaenicke
Institut für Molekulare Biophysik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
D 55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23567
Fax +49 6131 39-23557
E-Mail: elmar.jaenicke@uni-mainz.de

Petra Giegerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.biophysik.uni-mainz.de/jaenicke.php

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung
26.04.2017 | Universität Ulm

nachricht Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt
26.04.2017 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

200 Weltneuheiten beim Innovationstag Mittelstand in Berlin

26.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Wie digitale Technik die Patientenversorgung verändert

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Naturkatastrophen kosten Winzer jährlich Milliarden

26.04.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie