Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der Dynamik von Ionenkanälen auf der Spur

18.05.2015

Wissenschaftler um Alipasha Vaziri am Vienna Biocenter haben gemeinsam mit Kollegen am Institute for Biophysical Dynamics der University of Chicago eine neue Methode entwickelt, die es ihnen ermöglicht, die enorme Selektivität und die Transporteigenschaften von Ionenkanälen noch besser zu verstehen. Sie kombinierten dabei Infrarotspektroskopie mit Computersimulationen auf atomarer Ebene. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich im Fachjournal "The Journal of Physical Chemistry B" publiziert.

Ionenkanäle sind unverzichtbare Strukturen des Lebens. Ionenkanäle sind spezifische "Poren" in der Zellmembran, die geladene Teilchen wie Kalium- und Natriumionen in die Zelle und wieder hinaus transportieren.


Die schematische Abbildung ganz rechts zeigt die in der Studie gefundenen Änderungen in Stärke und Richtung der Schwingungskopplung innerhalb des Filters, die abhängig von der Ionenart sind.

Copyright: David S. Goodsell & RCSB Protein Data Bank

Dadurch kontrollieren sie eine Vielzahl von biologischen Prozessen, wie die Gehirnfunktion und den Herzschlag. Ionenkanäle sind üblicherweise nur für einzelne Ionenarten durchlässig und werden dementsprechend bezeichnet, z.B. als Kaliumkanäle und Natriumkanäle. Durch dieses spezielle Auswahlverfahren (Selektivität) kann eine Ionenart mit sehr hoher Geschwindigkeit durchströmen, während andere Ionenarten daran gehindert werden.

Kaliumkanäle sind der meistverbreitete Typ von Ionenkanälen in Zellen. Wie wichtig dieser Ionenkanaltyp ist, wurde 2003 untermauert, als Roderick MacKinnon mit dem Nobelpreis für Chemie für die Kristallstrukturaufklärung des bakteriellen KscA Kaliumkanals ausgezeichnet wurde.

Trotz intensiver Forschung auf diesem Gebiet sind die exakten molekularen Mechanismen, die hinter der hohen Ionenselektivität und dem -transport der Kanäle stecken, noch nicht vollständig aufgeklärt. "Konventionelle Methoden, wie die Röntgenkristallographie, erfassen nur die starren Strukturen. Es ist daher unmöglich zu untersuchen, wie dynamisch einzelne Atome eines Proteins bei Raumtemperatur sind, also wie stark sie sich hin- und her bewegen.

Doch genau die Dynamik eines Proteins ist oft der Schlüssel, um dessen präzisen Funktionsmechanismus zu verstehen", erklärt der Physiker Alipasha Vaziri, Gruppenleiter an den Max F. Perutz Laboratories (MFPL) und am Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP) und Leiter der Forschungsplattform "Quantum Phenomena & Nanoscale Biological Systems" (QuNaBioS) der Universität Wien.

Neue Methode, um das Rätsel der Selektivität von Ionenkanälen zu lösen

Vaziris Team konnte nun gemeinsam mit Forschern am Institute for Biophysical Dynamics der University of Chicago mittels Infrarotspektroskopie in Kombination mit Computersimulationen der gewonnenen Spektren auch die kleinsten Formveränderungen des KscA Kaliumkanals untersuchen, die sich durch das Binden von Kalium oder des nur 0.04 Nanometer kleineren Natriumions ergeben.

Sie entwirrten dabei die ineinander verschachtelten Infrarotspektren des Gesamtproteins, indem sie bestimmte Teile des Infrarotspektrums den entsprechenden Bausteinen des Proteins (Aminosäuren) zuordneten.

"Durch diesen neuen Ansatz können wir die Mechanismen ohne zeit- und kostenaufwändige Verfahren wie die sogenannte Isotopenmarkierung erforschen. Zudem ebnet dieser Zugang den Weg für die zukünftige Kombination mit zweidimensionaler Infrarotspektroskopie, was die Struktur und Dynamik von Ionenkanälen in biologisch relevanten Zeitskalen erfassen lässt", sagt Christoph Götz, PhD-Student in der Gruppe von Alipasha Vaziri und Koautor der Studie.

Die Studie zeigt zum ersten Mal, dass die Kombination der beiden Methoden verwendet werden kann, um auch kleinste Konformationsänderungen in großen Membranproteinen, wie dem KscA Kaliumkanal, zu bestimmen. Zudem schaffen die Forscher damit die Voraussetzung, um die Dynamik von Proteinen in Echtzeit in atomarer Auflösung zu erfassen, was mit den bisher gängigen Techniken nicht möglich war.

Publikation in "The Journal of Physical Chemistry B":
Paul Stevenson, Christoph Götz, Carlos R. Baiz, Jasper Akerboom, Andrei Tokmakoff and Alipasha Vaziri: Visualizing KcsA Conformational Changes upon Ion Binding by Infrared Spectroscopy and Atomistic Modeling. In: The Journal of Physical Chemistry B (April 2015).
DOI: http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b02223

Wissenschaftlicher Kontakt
Assoz.-Prof. Dr. Alipasha Vaziri
Research Institute of Molecular Pathology (IMP),
Max F. Perutz Laboratories (MFPL) und
Research Platform Quantum Phenomena & Nanoscale Biological Systems (QuNaBioS),
1030 Wien, Dr.-Bohr-Gasse 9
T +43-1-79730-3540
alipasha.vaziri@univie.ac.at

Rückfragehinweise
Dr. Lilly Sommer
Max F. Perutz Laboratories
Communications
T +43-1-4277-240 14
M +43-664-602 77-240 14
lilly.sommer@mfpl.ac.at

Mag. Veronika Schallhart
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
Universitätsring 1, 1010 Wien
T +43-1-4277-175 30
M +43-664-60277-175 30
veronika.schallhart@univie.ac.at

Die Universität Wien ist eine der ältesten und größten Universitäten Europas: An 19 Fakultäten und Zentren arbeiten rund 9.700 MitarbeiterInnen, davon 6.900 WissenschafterInnen. Die Universität Wien ist damit die größte Forschungsinstitution Österreichs sowie die größte Bildungsstätte: An der Universität Wien sind derzeit rund 92.000 nationale und internationale Studierende inskribiert. Mit über 180 Studien verfügt sie über das vielfältigste Studienangebot des Landes. Die Universität Wien ist auch eine bedeutende Einrichtung für Weiterbildung in Österreich. http://www.univie.ac.at

1365 gegründet, feiert die Alma Mater Rudolphina Vindobonensis im Jahr 2015 ihr 650-jähriges Gründungsjubiläum mit einem vielfältigen Jahresprogramm – unterstützt von zahlreichen Sponsoren und Kooperationspartnern. Die Universität Wien bedankt sich dafür bei ihren KooperationspartnerInnen, insbesondere bei: Österreichische Post AG, Raiffeisen NÖ-Wien, Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft, Stadt Wien, Industriellenvereinigung, Erste Bank, Vienna Insurance Group, voestalpine, ÖBB-Holding AG, Bundesimmobiliengesellschaft, Mondi. Medienpartner sind: ORF, Die Presse, Der Standard.

Stephan Brodicky | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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