Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Maschinen des Lebens arbeiten auch ohne Wasser

02.08.2012
Neutronenexperimente erklären Funktionsweise von Protein-Polymer-Hybriden

Ohne Wasser können Proteine, die Maschinen der Zellen, ihre vielfältigen Aufgaben nicht erfüllen – dieser Grundsatz galt über Jahre. Doch 2010 entdeckten Forscher, dass Hybride aus Proteinen und Polymeren auch ohne Wasser biologisch aktiv sein können.


Das Eiweißmolekül Myoglobin (rot) ist biologisch aktiv, auch wenn seine natürliche Wasserhülle durch eine Polymerhülle (grau) ersetzt wird.
J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/ja303894g

Solche Hybride sind für industrielle Prozesse von Interesse, bei denen Wasser nicht verwendet werden kann. Warum Proteine auch ohne Wasser arbeiten, zeigt jetzt ein internationales Forscherteam mit Hilfe von Neutronenexperimenten. Die Ergebnisse sind auf den Webseiten der internationalen Fachzeitschrift „JACS“ nachzulesen (DOI: 10.1021/ja303894g).

Proteine sind winzige biologische Maschinen. Sie katalysieren lebenswichtige Prozesse in tierischen und pflanzlichen Zellen, geben Geweben Halt oder synthetisieren Stoffe für Medizin und Industrie. Lange ging man davon aus, dass Wasser oder andere Lösungsmittel unverzichtbar wären für die Arbeit der Moleküle. Denn Wasser vermittelt den Proteinen eine Beweglichkeit, ohne die sie nicht funktionieren. Trocknet man die Proteine aus oder friert das Wasser ein, so geht die Beweglichkeit und damit auch die Funktionsfähigkeit verloren, ganz so, wie sich ein eingefrorenes Schloss nicht mehr öffnen lässt.

Ein alternatives „Schmiermittel“ für Proteine entdeckten Forscher erstmals 2010. Sie beobachteten, dass Hybride aus dem Muskelprotein Myoglobin und Polymeren reversibel Sauerstoff binden können, ganz so wie das Myoglobin in seiner natürlichen Form.

Forscher aus Frankreich, Großbritannien, Australien und Deutschland konnten jetzt die Gründe dafür nachweisen. Neutronenexperimente an Instrumenten des Forschungszentrums Jülich an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) in Garching bei München und an Instrumenten des Institut Laue-Langevin (ILL) im französischen Grenoble machten die Untersuchungen möglich.

Die Forscher fanden, dass sich Proteine, die von einer Polymerschicht bedeckt sind, vergleichbar bewegen können wie Proteine, die von einer Schicht Wasser bedeckt sind. Auch ist die Polymerschicht vergleichbar flexibel wie die Wasserschicht.

„Das Hydratwasser von Proteinen kann also durch Polymere ausgetauscht werden, ohne dass die Proteine ihre Beweglichkeit und damit ihre Funktionsfähigkeit einbüßen“, erläutert Dr. Martin Weik vom Institut de Biologie Structurale in Grenoble. Diese Entdeckung könnte sich die Industrie zunutze machen.

„Protein-Polymer-Hybride könnten z.B. in Wundcremes oder Wundpflastern eingesetzt werden. In hoher Konzentration könnten sie Sauerstoff zur Wunde hin transportieren und damit zur raschen Wundheilung beitragen“, erläutert Dr. Adam Perriman von der britischen Universität Bristol, der auch schon an der Entdeckung 2010 beteiligt war.

Die Forscher nutzten für ihre Messungen die Fähigkeit von Neutronen aus, sehr sensitiv und zerstörungsfrei die atomaren Strukturen und Bewegungen von biologischem Material abbilden zu können. Indem sie entweder die Proteinbestandteile oder die Polymerbestandteile der Hybride einfärbten, konnten sie die Bewegungen der beiden Komponenten getrennt voneinander untersuchen. „Das geht so nur mit Neutronen“, erläutert Dr. Joachim Wuttke vom Jülicher Zentrum für Forschung mit Neutronen (JCNS) in Garching bei München. Er unterstützte die Forscher bei ihrer Arbeit am Jülicher Instrument.

Erst im Juli 2012 hatten die beiden Forscher gemeinsam mit einem internationalen Team mit Hilfe des gleichen Verfahrens gezeigt, dass sich das Wechselspiel zwischen verschiedenen Typen von Proteinen und dem sie bedeckenden Wasser bedeutsam unterscheidet (Biophysical Journal 2012, DOI: 10.1016/j.bpj.2012.05.027, populärwissenschaftliche Zusammenfassung: www.fz-juelich.de/SharedDocs/Meldungen/JCNS/DE/d_news_2012-07-31.html

).

Originalveröffentlichungen:

A polymer surfactant corona dynamically replaces water in solvent-free protein liquids and ensures macromolecular flexibility and activity; Gallat et al. ; J. Am. Chem. Soc.; DOI, 10.1021/ja303894g

Dynamical Coupling of Intrinsically Disordered Proteins and Their Hydration Water: Comparison with Folded Soluble and Membrane Proteins; Gallat et al.; Biophysical Journal, Volume 103, Issue 1, 3 July 2012, Pages 129–136; DOI: 10.1016/j.bpj.2012.05.027

Ansprechpartner:

Dr. Joachim Wuttke, Forschungszentrum Jülich, JCNS-Außenstelle am FRM II, Garching, Tel. 089 289-10715, E-Mail: j.wuttke@fz-juelich.de

Dr. Martin Weik, Structural Protein Dynamics Research Team Institut de Biologie Structurale, Grenoble, France, Tel: + 33 4 38 78 95 80, E-Mail: weik@ibs.fr

Pressekontakt:

Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich, Tel. 02461 61-6048, E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de - Forschungszentrum Jülich
http://www.fz-juelich.de/jcns/ - Jülich Centre for Neutron Science (JCNS)
http://www.frm2.tum.de - Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II)
http://www.ill.eu/ - Institut Laue-Langevin (ILL)
http://www.chm.bris.ac.uk/comc.htm - Centre for Organized Matter Chemistry, Universität Bristol

http://www.ibs.fr - Institut de Biologie Structurale

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de/

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