Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Protein bei seiner Entfaltung in atomarer Auflösung „gefilmt“

11.02.2013
Wenn Proteine „außer Form“ geraten, können die Folgen fatal sein. Sie verlieren ihre Funktion und in manchen Fällen bilden sie unlösliche, toxische Klumpen, die andere Zellen schädigen und schwere Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson auslösen können. Forscher haben in atomarem Detail erstmals „gefilmt“, wie sich ein Protein graduell entfaltet.
Mithilfe von Kälte und NMR-Spektroskopie gelang es ihnen, sieben Zwischenformen des CylR2-Proteins während der Abkühlung von 25°C auf -16°C sichtbar zu machen. Die Erkenntnisse der Forscher können zu einem verbesserten Verständnis beitragen, wie Proteine ihre Struktur annehmen und sich im Krankheitsfall falsch falten.

Ob Alzheimer, Parkinson oder Chorea Huntington – alle drei Erkrankungen haben eine gemeinsame Ursache: Falsch gefaltete Proteine lagern sich im Gehirn der Betroffenen zu unlöslichen Klumpen zusammen und zerstören die Nervenzellen. Eine der wichtigsten Fragen der Biowissenschaften und Medizin ist daher, wie Proteine – die Werkzeuge lebender Zellen – ihre dreidimensionale Form erlangen oder verlieren. Denn nur, wenn ihre Ketten von Aminosäuren in einer bestimmten Weise räumlich gefaltet sind, können Proteine ihre Aufgaben erfüllen. Was genau passiert, wenn Proteine sich falten oder entfalten, konnte man bisher nur schwer untersuchen. Mit Hitze und Druck verliert ein Protein zwar leicht seine Form – und damit seine Funktion. Doch um es bei seinem Entfaltungsprozess direkt zu beobachten, sind die gängigen Methoden nicht geeignet. Seine Zwischenformen bei der Proteinentfaltung sind viel zu kurzlebig.

„Schnappschüsse“ bei der Entfaltung des CylR2-Protein aus Enterococcus faecalis: Wird das Protein von 25°C auf -16°C abgekühlt, zerfällt es schrittweise in seine beiden identischen Untereinheiten. Diese sind zunächst stabil, bilden aber bei -16°C eine instabile, dynamische Proteinform, die eine Schlüsselrolle bei der Faltung spielt.

Bild: Zweckstetter, Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie & Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen

Mit einem neuen Ansatz ist es Forschern jetzt erstmals gelungen, den komplexen Prozess der Proteinentfaltung zu „filmen“. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie (MPIbpc) und des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) am Standort Göttingen haben gemeinsam mit ihren Kollegen an der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau und der Universität Warschau in atomarer Auflösung sichtbar gemacht, wie ein Protein schrittweise „außer Form“ gerät. Dabei setzten sie auf Kälte. „Wird ein Protein langsam abgekühlt, reichern sich seine Zwischenstufen in größerer Menge an als bei gängigen Methoden wie Hitze, Druck oder Harnstoff. Unsere Hoffnung war, dass diese Mengen ausreichen, um sie mit der Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie zu untersuchen“, so Markus Zweckstetter, Leiter der Forschungsgruppen „Proteinstrukturbestimmung mittels NMR“ am MPIbpc und „Strukturbiologie bei demenziellen Erkrankungen“ am DZNE-Standort Göttingen.

Wie ein Protein außer Form gerät

Als Untersuchungsobjekt wählte das Team um Zweckstetter ein Schlüsselprotein für die Toxinproduktion in Enterococcus faecalis, ein häufig in Krankenhäusern anzutreffender Erreger, der besonders Patienten mit einem schwachen Immunsystem gefährdet. Das sogenannte CylR2 ist nicht nur biologisch interessant. Vor einiger Zeit war es den Forschern um Stefan Becker am MPIbpc gelungen, die Struktur von CylR2 aufzuklären, die zeigt: Seine Form macht es zu einem vielversprechenden Kandidaten für den Ansatz der Göttinger Wissenschaftler. „ClyR2 ist ein relativ kleines Protein aus zwei identischen Untereinheiten. Die Chance war daher groß, dass sich die einzelnen Schritte bei seiner Entfaltung im Detail sichtbar machen lassen“, erklären die Chemiker Mariusz und Lukasz Jaremko.

Zunächst galt es für die Gruppe von Stefan Becker, das Protein in ausreichender Menge im Labor herzustellen. Anschließend kühlten die beiden Chemiker das Protein schrittweise von 25°C auf -16°C ab und untersuchten es mithilfe der NMR-Spektroskopie – mit Erfolg. Ihr „Filmclip“ zeigt in atomarer Auflösung, wie sich das Protein schrittweise immer weiter entfaltet. Der Strukturbiologe Markus Zweckstetter beschreibt, was dabei passiert: „Man sieht, wie das CylR2-Protein schließlich in seine beiden Untereinheiten zerfällt. Die einzelne Untereinheit ist zunächst relativ stabil. Bei weiterer Abkühlung entfaltet sich diese weiter und wird bei -16°C äußerst instabil und dynamisch. Diese instabile Proteinform bildet den Ausgangspunkt für die Faltung und kann auch der Auslöser sein, dass CylR2 außer Form gerät.“ Die Erkenntnisse der Göttinger Wissenschaftler können dazu beitragen, besser zu verstehen, wie Proteine ihre räumliche Struktur annehmen und warum sich Zwischenformen bestimmter Proteine im Krankheitsfall falsch falten.

Originalveröffentlichung:
Mariusz Jaremko, Lukasz Jaremko, Hai-Young Kim, Min-Kyu Cho, Charles D. Schwieters, Karin Giller, Stefan Becker, Markus Zweckstetter: Cold-denaturation of a protein dimer monitored at atomic resolution. Nature Chemical Biology, DOI:10.1038/NChemBio.1181 (2013).
Kontakt:
Prof. Dr. Markus Zweckstetter
Forschungsgruppe „Proteinstrukturbestimmung mittels NMR“
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie und
Forschungsgruppe „Strukturbiologie bei demenziellen Erkrankungen“
Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen in Göttingen
Tel.: +49 551 / 201-2220
E-Mail: Markus.Zweckstetter@dzne.de

Dr. Carmen Rotte, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
Tel.: +49 551 / 201-1304
E-Mail: carmen.rotte@mpibpc.mpg.de

Dr. Dirk Förger
Leiter Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen, Bonn
Tel.: +49 228 / 43302-260
E-Mail: dirk.foerger@dzne.de

Dr. Carmen Rotte | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.dzne.de/
http://www.mpibpc.mpg.de/9606168/pr_1302

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Geckos kommunizieren überraschend flexibel
29.05.2017 | Max-Planck-Institut für Ornithologie

nachricht Bauchspeicheldrüsenkrebs: Forschungsgruppe erprobt erfolgreich neue Diagnose- und Therapieansätze
29.05.2017 | Wilhelm Sander-Stiftung

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: Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht

Der steigende Bedarf an schneller, leistungsfähiger Datenübertragung erfordert die Entwicklung neuer Verfahren zur verlustarmen und störungsfreien Übermittlung von optischen Informationssignalen. Wissenschaftler der Universität Johannesburg, des Instituts für Angewandte Optik der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) präsentieren im Fachblatt „Journal of Optics“ eine neue Möglichkeit, glasfaserbasierte und kabellose optische Datenübertragung effizient miteinander zu verbinden.

Dank des Internets können wir in Sekundenbruchteilen mit Menschen rund um den Globus in Kontakt treten. Damit die Kommunikation reibungslos funktioniert,...

Im Focus: Strathclyde-led research develops world's highest gain high-power laser amplifier

The world's highest gain high power laser amplifier - by many orders of magnitude - has been developed in research led at the University of Strathclyde.

The researchers demonstrated the feasibility of using plasma to amplify short laser pulses of picojoule-level energy up to 100 millijoules, which is a 'gain'...

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Lebensdauer alternder Brücken - prüfen und vorausschauen

29.05.2017 | Veranstaltungen

49. eucen-Konferenz zum Thema Lebenslanges Lernen an Universitäten

29.05.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz an der Schnittstelle von Literatur, Kultur und Wirtschaft

29.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligente Sensoren mit System

29.05.2017 | Messenachrichten

Geckos kommunizieren überraschend flexibel

29.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

1,5 Millionen Euro für vier neue „Innovative Training Networks” an der Universität Hamburg

29.05.2017 | Förderungen Preise