Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Licht im Maschinenraum eines Helferproteins

21.06.2016

Bewegungen in Proteinen mit hoher Orts- und Zeitauflösung zu beobachten: Das ermöglicht eine neue Technik, die Wissenschaftler der Universität Würzburg entwickelt haben. Sie liefern damit neue Einblicke in den Funktionsmechanismus ganz spezieller Proteine.

Proteine zählen zu den wichtigsten Funktionsträgern des Lebens. Gebildet aus langen Ketten von Aminosäuren, falten sie sich in hochgeordnete dreidimensionale Strukturen, ähnlich wie ein Origami-Puzzle. Gefaltete Proteine sind allerdings nicht starr, sondern veränderlich und in ständiger Bewegung. Somit können sie als molekulare Maschinen eine Vielzahl von Funktionen ausführen, die in ihrer Gesamtheit das Leben ausmachen.


Die Kombination aus Farbstoffmolekül und Tryptanophan liefert bisher ungekannte Einblicke in die Bewegungen des Proteins Hsp90.

Grafik: Hannes Neuweiler

Gedrängel in der Enge führt zu Fehlern

Lebende Zellen sind voll von solchen Proteinen, die sich während der Faltung und beim Ausführen ihrer Funktionen jedoch häufig ins Gehege kommen. „Kommt es bei diesem Gedränge zu Fehlern in der Faltung oder in der Funktion, können diese eine Reihe von Erkrankungen bis hin zu Krebs auslösen“, erklärt Dr. Hannes Neuweiler.

Neuweiler ist Gruppenleiter am Lehrstuhl für Biotechnologie & Biophysik der Universität Würzburg. Zusammen mit seiner Arbeitsgruppe hat er eine Technik entwickelt, durch die Proteine bei der Arbeit mit hoher Orts- und Zeitauflösung beobachtet werden können. In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Chemical Biology stellt die Gruppe die Ergebnisse ihrer Arbeit vor.

Neuweiler und sein Team haben sich für diese Arbeit auf sogenannte Helferproteine – in der Fachsprache Chaperone genannt, von englisch: „begleiten, bemuttern“ – konzentriert. „Chaperone greifen sich andere Proteine, die Hilfe benötigen. Sie helfen ihren ‚Patienten‘ bei der Faltung, aktivieren sie, indem sie ihre Form verändern, und verhindern unerwünschte Zusammenlagerungen“, erklärt Neuweiler.

Ein Hitzeschockprotein mit Heilkunst

Eine außergewöhnliche Variante solcher Helferproteine ist das Hitzeschockprotein Hsp90: Es zählt zu den am häufigsten vorkommenden Proteinen in der lebenden Zelle, wo es sich um eine sehr große Zahl von „Patienten“ kümmert, die unterschiedlichste Formen und Funktionen haben. „Die Heilkunst von Hsp90 ist jedoch ein Mysterium. Sein genauer Funktionsmechanismus ist bislang nur teilweise verstanden“, sagt Neuweiler.
Bekannt war: Das Chaperon ähnelt einer molekularen Klammer, die sich öffnet und schließt, während es seinen Patienten verarztet. Mit Hilfe kristallographischer Methoden und der Technik der Röntgenbeugung haben Forscher in der Vergangenheit atomar aufgelöste Strukturen von Hsp90 ermittelt, die Schnappschüsse aus dem Maschinenraum des Helferproteins zeigen. „Bis zum heutigen Tage war es jedoch nicht möglich, diese Mechanik von Hsp90 bei der Arbeit in wässriger Lösung zu beobachten“, so Neuweiler. Es fehlten Methoden, die solch lokale Bewegungen in Proteinen sichtbar machen können.

Ein Leuchtfeuer zeigt Strukturveränderungen

Das hat sich jetzt geändert: Die Würzburger Wissenschaftler haben hochauflösende Fluoreszenzsonden entwickelt, mit deren Hilfe es möglich ist, diese Bewegungen in Hsp90 zu beobachten. Wie ein Leuchtfeuer, das bei Strukturänderung ein- und ausgeschaltet wird, zeigen die Sonden an, wann und auf welcher Zeitskala eine Bewegung in der molekularen Maschine stattfindet.

Hierbei machen sich die Forscher das Phänomen der Fluoreszenzlöschung durch photoinduzierten Elektronentransfer (PET) zu Nutze. Das Prinzip: Synthetische Farbstoffmoleküle, die unter normalen Umständen Licht aussenden, werden bei Kontakt mit der natürlich vorkommenden Aminosäure Tryptophan durch eine photochemische Reaktion ausgeschaltet. Neuweiler und Mitarbeiter haben solche Farbstoffmoleküle nun an ausgewählte Stellen in Hsp90 in die Nachbarschaft von Tryptophan eingebracht und das Chaperon dadurch mit Bewegungsmeldern ausgestattet. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass sich lokale Strukturelemente in Hsp90 synchron bewegen, während die molekulare Klammer sich schließt. Das kooperierende Protein Aha1, ein sogenanntes Co-Chaperon, legt den Hebel eines ausgewählten Strukturelements von Hsp90 in einer frühen Phase um und beschleunigt somit den Vorgang.

In zukünftigen Arbeiten wollen die Wissenschaftler nun mit Hilfe der neuen Fluoreszenztechnik weitere Strukturänderungen in Hsp90 und die Wirkungsweise anderer Co-Chaperone beleuchten. Von den Untersuchungen am Einzelmolekül mit Hilfe sensitiver bildgebender Verfahren erwarten sie neue Einblicke in die Mechanik von Helferproteinen und damit auch Erkenntnisse über die Entstehung von Krankheiten.

“Cooperation of local motions in the Hsp90 molecular chaperone ATPase mechanism”, Andrea Schulze, Gerti Beliu, Dominic A. Helmerich, Jonathan Schubert, Laurence H. Pearl, Chrisostomos Prodromou & Hannes Neuweiler. Nature Chemical Biology

Kontakt

Dr. Hannes Neuweiler, T: +49 931 31-83872, E-Mail: hannes.neuweiler@uni-wuerzburg.de

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1038/nchembio.2111 Zur Originalpublikation

Gunnar Bartsch | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Ionen gegen Herzrhythmusstörungen – Nicht-invasive Alternative zu Katheter-Eingriff
20.01.2017 | GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

nachricht Leibwächter im Darm mit chemischer Waffe
20.01.2017 | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

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: 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....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise