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 Pfeilgiftfrösche machen auf „Kommando“ Brutpflege für fremde Kaulquappen
20.09.2017 | Veterinärmedizinische Universität Wien

nachricht Molekulare Kraftmesser
20.09.2017 | Max-Planck-Institut für Biochemie

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: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Höher - schneller - weiter: Der Faktor Mensch in der Luftfahrt

20.09.2017 | Veranstaltungen

Wälder unter Druck: Internationale Tagung zur Rolle von Wäldern in der Landschaft an der Uni Halle

20.09.2017 | Veranstaltungen

7000 Teilnehmer erwartet: 69. Urologen-Kongress startet heute in Dresden

20.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Drohnen sehen auch im Dunkeln

20.09.2017 | Informationstechnologie

Pfeilgiftfrösche machen auf „Kommando“ Brutpflege für fremde Kaulquappen

20.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Frühwarnsystem für gefährliche Gase: TUHH-Forscher erreichen Meilenstein

20.09.2017 | Energie und Elektrotechnik