Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie kommt der Zucker in die Zelle?

08.04.2011
Bioinformatik hilft bei Strukturaufklärung von Proteinen

Membranproteine spielen in allen Organismen eine wesentliche Rolle. Sie sind essentiell für die Kommunikation der Zelle mit ihrer Umgebung und sorgen für den Transport wichtiger Stoffe über die Zellmembran. Ihre besonderen Eigenschaften machen diese Proteine zum geeigeneten Ansatzpunkt für Medikamente.


Die Struktur des ChbC-Dimers in der Zellmembran (graue Fläche) Bild: Columbia University

Auf der Grundlage eines neuen bioinformatischen Ansatzes gelang es nun Wissenschaftlern der Columbia University, New York, und der Technischen Universität München (TUM) die Struktur eines wichtigen Zuckertransporters aufzuklären. Über ihre Ergebnisse berichtet die aktuelle Online-Ausgabe des Journals Nature.

Im Rahmen einer groß angelegten Kooperation ist es Wissenschaftlern der Columbia Universität gelungen, die dreidimensionale Struktur des bakteriellen Membranproteins ChbC mittels Kristallstrukturanalyse zu bestimmen. Die Proteinfamilie, zu der ChbC gehört, ist essentiell für den Transport spezifischer Zucker in die Zelle und stellt damit einen wesentlichen Faktor für das Überleben des Bakteriums dar. Wie diese Proteine jedoch den Zucker in die Zelle schleusen, war bisher nicht bekannt.

Möglich machten dieses Ergebnis Vorarbeiten des New York Consortium on Membrane Protein Structure (NYCOMPS). Im besonderen Fokus der Wissenschaftler stehen Membranproteine. „Jedes vierte Protein ist ein Membranprotein und doch kennen wir nur von etwa fünf Prozent von ihnen die Struktur. Hier stehen wir noch vor einer großen Herausforderung“, so Burkard Rost. Da die experimentelle Analyse eines Membranproteins mehrere Jahre dauern kann, kommt der Auswahl vielversprechender Kandidaten für die aufwändige Analyse eine große Bedeutung zu., Der Pool potentiell interessanter Sequenzen ist groß. Über 300.000 Proteinsequenzen aus den Genomen von 96 Organismen standen zu Beginn des Projektes zur Auswahl. Nur ein Bruchteil dieser Sequenzen kann jedoch überhaupt experimentell analysiert werden.

Gemeinsam mit anderen NYCOMPS-Bioinformatikern identifizierte Burkhard Rost, Professor für Bioinformatik an der TU München, ChbC als lohnendes Ziel. Ausgangspunkt der NYCOMPS-Wissenschaftler ist eine bioinformatische Methode aus dem Gebiet der „Strukturgenomik“ (engl. „Structural Genomics“). Die grundlegende Annahme dieser Methode ist, dass Proteine mit gemeinsamen evolutionären Vorfahren, sogenannte „Proteinfamilien“, sich sowohl in ihren Aminosäuresequenzen als auch in ihrer dreidimensionalen Struktur gleichen. Ist die Struktur eines dieser verwandten Proteine durch Experimente bekannt, lassen sich auch die restlichen vorhersagen.

Um ein geeignetes Protein zu finden, entwickelten die NYCOMPS-Wissenschaftler einen gängigen bioinformatischen Ansatz weiter. Statt wie üblicherweise zu Beginn des Projekts alle Proteine in einer Genom-übergreifenden Karte anzuordnen und dann eine Auswahl zu treffen, bauten die Bioinformatiker die Proteinfamilien jeweils um eine einzelne Sequenz herum auf. Der Vorteil eines solchen „Kernproteins“ („seed protein“) ist, dass die Wissenschaftler interessante Zielsequenzen sofort zu Proteinfamilien ausweiten können, statt diese zuerst in der bereits bestehenden Proteinkarte suchen zu müssen. Die Wahrscheinlichkeit innerhalb der um das Zielprotein herum kreierten Familie einen für die späteren Experimente geeigneten Verwandten zu finden ist ebenfalls höher.

Als Zielproteine filterten die NYCOMPS-Wissenschaftler schrittweise die Proteine heraus, die Eigenschaften von Membranporteinen aufwiesen. Dann erweiterten sie diese zu Proteinfamilien und wählten wiederum diejenigen Sequenzen, die für die Experimente besonders geeignet waren. All das geschah rein virtuell durch mathematische Vorhersagen und ganz ohne Experimente. Im Fall von ChbC blieben letztlich aus der Vielzahl an Sequenzen 25 aus 13 Organismen übrig. Erst diese 25 wurden dann im Labor näher untersucht. Letztlich führte eine der Sequenzen zum Erfolg - die sprichwörtliche „Nadel im Heuhaufen“ war gefunden.

Die neu aufgeklärte Struktur von ChbC hilft den Wissenschaftler nun, einen in Bakterien sehr wichtigen Weg des Zuckertransports in die Zelle besser zu verstehen: Das sogenannte „Phosphotransferasesystem“ (PTS). Bei diesem Transportweg wird das Zuckermolekül während des Transports in die Zelle mit einem Phosphatrest modifiziert. Diese Modifizierung ist zum einen der erste Schritt für die spätere Energiegewinnung aus dem Zucker, zum anderen verhindert sie, dass das Zuckermolekül einfach wieder aus der Zelle austritt. Phosphotransferasesysteme kommen in sehr vielen Bakterienarten vor und beeinflussen eine Vielzahl an zellulären Stoffwechselwegen. Sie sind daher ein gutes potentielles Angriffsziel für Antibiotika.

Die Struktur von ChbC zeigt beispielhaft, wie solche Transportsysteme funktionieren könnten: Die Region von ChbC, die das zu transportierende Zuckermolekül bindet, ähnelt in ihrer Struktur der eines anderen Transporters, der nicht mit ChbC verwandt ist und dessen Transportmechanismus bereits besser erforscht wurde: Dem Protein GltPh. Die Idee: Der Transportmechanismus von ChbC könnte ähnlich funktionieren wie bei GltPh.

Zuvor war der genaue Transportmechanismus von Phosphotransferasesystemen unbekannt. Nun vermuten die Wissenschaftler, dass der Zuckertransport bei ChbC in drei Schritten verläuft. Im ersten, „nach Außen offenen“ Zustand, bindet das Protein den zu transportierenden Zucker. Dann klappt die Region, an der der Zucker hängt, in einen Zwischenzustand um, der näher an der Innenseite der Zellmembran liegt, aber noch nicht mit dem Zellinneren in Kontakt steht. Im letzten Stadium schließlich kann der Zucker nun modifiziert und ins Zellinnere entlassen werden. Für die Bewegung von einem Zustand in den nächsten könnte eine einzelne Transportdomäne verantwortlich sein, die sich relativ zum feststehenden Rest des Proteins bewegt.

Die Arbeiten zu dieser Publikation wurden unterstützt aus Mitteln der US National Institutes of Health. NYCOMPS ist Teil der Protein Structure Inititive (PSI-2) des National Institute of General Medical Sciences. Burkhard Rost ist Alexander von Humboldt-Professor und Mitglied des Institute for Advanced Study der TU München.

Originalpublikation:

Crystal structure of a phosphorylation-coupled saccharide transporter
Yu Cao, Xiangshu Jin, Elena J. Levin, Hua Huang, Yinong Zong, Matthias Quick, Jun Weng, Yaping Pan, James Love, Marco Punta, Burkhard Rost, Wayne A. Hendrickson, Jonathan A. Javitch, Kanagalaghatta R. Rajashankar, Ming Zhou

Nature, Onlineveröffentlichung, 06.04.2011

Dr. Ulrich Marsch | idw
Weitere Informationen:
http://portal.mytum.de/welcome
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature09939.html?WT.ec_id=NATURE-20110407

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Immunabwehr ohne Kollateralschaden
23.01.2017 | Universität Basel

nachricht Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens
23.01.2017 | Verband Biologie, Biowissenschaften und Biomedizin in Deutschland e.V.

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: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wie der Nordatlantik zum Wärmepirat wurde

23.01.2017 | Geowissenschaften

Immunabwehr ohne Kollateralschaden

23.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

23.01.2017 | Physik Astronomie