Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Forschung mit Tunnelblick – 3D-Bilder zeigen Integration von Proteinen in die Zellmembran

18.04.2011
Jede Zelle ist umgeben und durchzogen von Membranen, in die zahlreiche Proteine eingebettet sind.

Ein internationales Team um Dr. Jens Frauenfeld und Professor Roland Beckmann vom Genzentrum und Department für Biochemie der LMU München und dem Exzellenzcluster „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CiPSM) stellt nun eine neue Methode vor, mit deren Hilfe der Einbau eines solchen Proteins in die Membran erstmals unter natürlichen Bedingungen untersucht werden konnte.

Die Integration beginnt bereits während der Proteinsynthese am Ribosom: Diese zelluläre Proteinfabrik setzt sich auf einen die Membran durchspannenden Transportkanal und führt das neu entstehende Protein in ihn ein. Über eine seitliche Öffnung entlässt der Kanal das Protein dann in die Membran, wie die Forscher in hoch aufgelösten 3D-Bildern erstmals zeigen konnten.

Die neue Methode birgt großes Potenzial: Membranproteinintegration und therapeutisch aktive molekulare Inhibitoren, die den Proteintransport blockieren, könnten im Detail verstanden und gegebenenfalls optimiert werden, wenn ihr Wirkmechanismus hoch aufgelöst und in 3D abgebildet werden kann. (Nature Structural and Molecular Biology online, 17. April 2011)

Fast ein Drittel aller zellulären Proteine werden sekretiert oder als „integrale Membranproteine“ in Zellmembranen eingebaut. Diese Zellmembranen bestehen allerdings aus einer Lipid-Doppelschicht, die von geladenen Molekülen wie Proteinen kaum direkt zu durchdringen sind. Für die Integration dieser Moleküle in die Zellmembran nutzt die Zelle deshalb molekulare Tore, die sich öffnen können. Diese Translokons befinden sich in Transportkanälen, die die Membran durchdringen und auch für den Im- und Export von Proteinen genutzt werden. „Je nachdem welche Signalsequenz ein Protein trägt, entscheidet sich, welchen Weg es nimmt“, erklärt Beckmann.

Bislang konnten diese Prozesse nicht direkt in der Zellmembran untersucht werden. „Das ist so problematisch, weil viele Membranproteine in ihrer Funktion auf eine Lipid-Doppelschicht als Umgebung angewiesen sind“, betont Frauenfeld. Im Team mit internationalen Kollegen entwickelten er und Beckmann nun eine Methode, die den Einbau von Membranproteinen unter natürlichen Bedingungen strukturell untersuchen lässt. Der Schlüssel zum Erfolg waren sogenannte Nanodiscs. Das sind kleine Scheibchen aus einer Lipid-Doppelschicht, die von einem ringförmigen Protein zusammengehalten werden.

In die Nanodiscs bauten die Forscher einen universellen Protein-Transportkanal ein, auf dem ein Ribosom saß und ein neu entstehendes Protein einfädelte. „Wir konnten mittels dreidimensionaler Kryo-Elektronenmikroskopie eine Nanodisc im Bild festhalten und das Protein in der Membran hoch aufgelöst erkennen – was an sich schon ein großer Erfolg ist“, so Frauenfeld. „In der 3D-Rekonstruktion gelang uns dann aber auch noch ein Schnappschuss, der das Protein im Tor beim Übergang in die Membran zeigt.“ Zudem konnten die Wissenschaftler erstmals eine Interaktion zwischen Ribosom und Lipiden nachweisen, die den Einbau der Proteine in die Membran unter geringem Energieaufwand erlaubt.

Der Transport von Proteinen durch Membranen hindurch spielt unter anderem bei der Entstehung von Entzündungen und auch bei Krebs eine Rolle. Schon jetzt werden molekulare Inhibitoren zur Hemmung des Proteintransports in und durch Membranen eingesetzt. Wirkstoffe wie das synthetische Peptid Cotransin blockieren dabei auch den Transportkanal. Frauenfeld und Beckmann sehen deshalb auch therapeutisches Potenzial in ihrer Methode: Durch eine verbesserte 3D-Darstellung der Transportvorgänge in einer natürlichen Membran könnte der Wirkmechanismus dieser Inhibitoren genauer untersucht und optimiert werden. Dies könnte die Suche nach neuen Therapieansätzen erleichtern, so die Hoffnung der Forscher. (göd)

Die Untersuchung entstand im Rahmen des Exzellenzclusters Center for Integrated Protein Science Munich (CIPSM) sowie der SFB 594 (Molecular Machines) und 646 (Regulatory Networks in Gene Expression and Maintenance). Jens Frauenfeld erhielt für dieses Projekt von der zum Pharmakonzern Roche gehörenden ROMIUS-Stiftung den mit 1.000 Euro dotierten Preis für Wissenschaft und Forschung.

Publikation:

„Cryo-EM structure of the ribosome-SecYE complex in the membrane environment”;
J. Frauenfeld, J. Gumbart, E.O. van der Sluis, S. Funes, M. Gartmann, B. Beatrix, T. Mielke, O. Berninghausen, T. Becker, K. Schulten, R. Beckmann;
Nature Structural and Molecular Biology, Advance Online Publication, 17 April 2011;

doi:10.1038/nsmb.2026

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Roland Beckmann
Genzentrum und Department für Chemie und Biochemie der LMU und
Exzellenzcluster „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CIPSM)
Tel.: 089/2180 – 76900
E-Mail: beckmann@lmb.uni-muenchen.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.lmb.uni-muenchen.de/beckmann/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Sollbruchstellen im Rückgrat - Bioabbaubare Polymere durch chemische Gasphasenabscheidung
02.12.2016 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht "Fingerabdruck" diffuser Protonen entschlüsselt
02.12.2016 | Universität Leipzig

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: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie