Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Molekulares Daumenkino: Momentaufnahmen aus dem Inneren der Zelle

18.03.2016

Forscher beobachten, wie sich die Struktur der RNA-Polymerase bei der Arbeit verändert

Einem Forschungsteam um den Braunschweiger Physikochemiker Prof. Philip Tinnefeld und der Biochemikerin Prof. Dina Grohmann ist es gelungen, Veränderungen in der RNA-Polymerase während ihrer Arbeit sichtbar zu machen.


Dreidimensionale Architektur einer RNA Polymerase. Die flexible Einheit der RNA-Polymerase, die verschiedene Konformationen annehmen kann, ist in blau hervorgehoben. Die Position der Fluoreszenzfarbstoffe, über die der mit einem orangen Pfeil angezeigte Abstand in der RNA-Polymerase und damit die Bewegung der flexiblen Einheit gemessen werden kann, ist mit einem grünen und roten Punkt gezeigt. (PCI/TU Braunschweig)


Während ihres Aktivitätszyklus in der Zelle interagiert die RNA Polymerase sowohl mit DNA als auch mit verschiedenen Faktoren. Die damit einhergehenden unterschiedlichen Konformationszustände der RNA-Polymerase konnten über die FRET-Technik mit nanometergenauer Auflösung analysiert werden, sodass ein „molekulares Daumenkino der RNA-Polymerase“ erstellt werden konnte. (PCI/TU Braunschweig)

Im Milliardstel Meter Bereich haben sie dafür Farbstoffe auf zwölf Proteinen platziert, deren Helligkeit sich je nach ihrer Entfernung zueinander verändert. Vergleichbar mit einem Daumenkino, konnte das Forschungsteam mit seinen Aufnahmen außerdem nachweisen, dass die Arbeit der RNA-Polymerase durch verschiedene Faktoren gesteuert und beeinflusst wird.

Ob Bakterium, Pflanze oder Tier – Nur wenige Enzyme sind baugleich in allen lebenden Organismen wiederzufinden. Unter diesen Molekülen befindet sich eine der zentralen Arbeitseinheiten einer Zelle, die RNA-Polymerase.

Ihre Aufgabe ist es, die in der DNA kodierte genetische Information zu lesen und umzuschreiben, die so genannte Transkription. Reguliert und gesteuert wird diese Arbeit durch unterschiedliche Faktoren, deren Einfluss und Wirkung auf die molekulare Übersetzungsmaschine bislang ungeklärt sind. „Es immer noch ein Rätsel, wie dieser hochkonservierte biologische Prozess mit ungeheurer Verlässlichkeit und Kontrolle durch die Transkriptionsfaktoren in den Zellen ablaufen kann“, sagt Prof. Tinnefeld.

Die atomare Aufschlüsselung der RNA-Polymerase-Struktur über Röntgenstrukturanalysen liefert der Wissenschaft sozusagen nur ein Standbild der dynamischen molekularen Maschine. Die so genannten Konformationsänderungen, die einen entscheidenden Schlüssel für die Funktionsweise der hochkomplexen Transkriptionsmaschinerie darstellen, konnten damit jedoch nicht erfasst werden.

Prof. Philip Tinnefeld und seiner Arbeitsgruppe „NanoBioScience“ ist es nun gelungen, die Vermutung von der Veränderung der RNA-Polymerase während ihrer Arbeit zu bestätigen und darüber hinaus auch die Faktoren und deren Wirkungsweise aufzuklären, die sie dabei beeinflussen. Veröffentlicht haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihre Ergebnisse im Fachjournal „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS). „Das Verständnis von der Arbeitsweise der RNA-Polymerase, ihrer beeinflussenden Faktoren und deren Wirkungsweise legt die Grundlage für die Aufklärung erblich bedingter Krankheiten sowie die Entwicklung von personalisierter Medizin“, erklärt Prof. Dina Grohmann.

Helligkeit von Farbstoffen zeigte Abstand der Moleküle zueinander

Um einen Einblick in die Funktion der RNA-Polymerase und der sie steuernden Transkriptionsfaktoren unter nahezu unbeeinflussten Bedingungen zu erhalten, hat das Forschungsteam eine Einzelmolekültechnik eingesetzt. Verfolgt haben sie damit bestimmte, relevante Abstände mit nanometergenauer Auflösung durch den gesamten Transkriptionsprozess auf der Polymerase. Dazu wurden der Komplex aus RNA-Polymerase und DNA auf einem Deckglas zusammengesetzt und mit verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen spezifischen Stellen markiert.

In einem als FRET (Förster Resonanz-Energietransfer) bezeichneten Prozess übertragen die beiden Farbstoffe abhängig von ihrem Abstand zueinander Energie. Befinden sie sich in räumlicher Nähe, leuchtet der rote Farbstoff, sind sie weiter auseinander positioniert, leuchtet der grüne Farbstoff stärker. Aus dem Verhältnis der Farbintensitäten lassen sich dann exakte Abstände und Abstandsänderungen auf der RNA-Polymerase quantitativ messen. Auf diese Weise hat das Team tausende einzelner Transkriptionskomplexe untersucht, so dass die Veränderung der RNA-Polymerase in jeder Phase ihrer Aktivität bestimmt werden konnte.

„Im Gegensatz zum Standbild, haben wir mit unserer Arbeit quasi einen molekularen ‚Stop-Motion‘ Film der aktiven RNA-Polymerase erstellt, der im Detail und mit hoher Präzision die hohe Flexibilität der Transkriptionsmaschinerie zeigt“, fasst Prof. Tinnefeld das Forschungsergebnis zusammen.

Zur Arbeitsgruppe „NanoBioScience“

Die Forschungsergebnisse wurden in der Arbeitsgruppe „NanoBioScience“ unter Leitung von Prof. Philip Tinnefeld am Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der TU Braunschweig und in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Finn Werner vom Institute of Structural and Molecular Biology des University College London erzielt. Prof. Dr. Dina Grohmann war von 2011 bis 2015 Mitglied der Arbeitsgruppe „NanoBioScience“ und ist gegenwärtig Professorin für Mikrobiologie an der Universität Regensburg. Gefördert wurde die Forschungsarbeit durch einen Starting Grant des European Research Council (ERC), die Volkswagenstiftung, die Deutsche Forschungsgemeinschaft sowie durch die German-Israel-Foundation. Die Arbeitsgruppe „NanoBioScience“ von Prof. Philip Tinnefeld ist Mitglied des Braunschweig Integrated Centre of Systems Biology (BRICS) und des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA) der TU Braunschweig.

Zur Publikation

“TFE and Spt4/5 open and close the RNA polymerase clamp during the transcription cycle”, Sarah Schulz, Andreas Gietl, Katherine Smollett, Philip Tinnefeld, Finn Werner and Dina Grohmann. Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A.
(DOI: 10.1073/pnas.1515817113, Erscheinungstermin 15.3.2016)

Weitere Informationen
http://www.pnas.org/content/early/2016/03/14/1515817113.short?rss=1
www.tu-braunschweig.de/pci/research/tinnefeld
http://www.uni-regensburg.de/biologie-vorklinische-medizin/mikrobiologie/team-le...

Kontakt

Prof. Dr. Philip Tinnefeld
Leiter der Arbeitsgruppe NanoBioScience
Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Technische Universität Braunschweig
Hans-Sommer-Strasse 10
38106 Braunschweig
Tel.: 0531/391-5330
E-Mail: p.tinnefeld@tu-braunschweig.de
www.tu-braunschweig.de/pci

Prof. Dr. Dina Grohmann
Lehrstuhl für Mikrobiologie
Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie
Universität Regensburg
Universitätsstraße 31
93053 Regensburg
Tel: 0941/943-3147
E-Mail: dina.grohmann@ur.de
www.uni-regensburg.de/biologie-vorklinische-medizin/mikrobiologie

Weitere Informationen:

http://blogs.tu-braunschweig.de/presseinformationen/?p=10130
http://www.pnas.org/content/early/2016/03/14/1515817113.short?rss=1
http://www.tu-braunschweig.de/pci/research/tinnefeld
http://www.uni-regensburg.de/biologie-vorklinische-medizin/mikrobiologie/team-le...

Stephan Nachtigall | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
https://blogs.tu-braunschweig.de/presseinformationen/?p=10130

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Bakterieller Untermieter macht Blattnahrung für Käfer verdaulich
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

nachricht Neues Werkzeug für gezielten Proteinabbau
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

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: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte