Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ribosomen in Aktion "gefilmt"

15.07.2010
Wissenschaftler haben erstmals die Proteinfabrik der Zelle bei der Arbeit beobachtet

Forschern am Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie ist es gelungen, dem Ribosom - der Proteinfabrik der Zelle - beim Bau der Proteine zuzusehen. Sie "filmten", wie Aminosäure-Transporter während der Proteinproduktion durch das Ribosom geschleust werden. Die dabei eingesetzte Technik der zeitaufgelösten 3D-Kryo-Elektronenmikroskopie erlaubt faszinierende neue Einblicke in die Funktionsweise der Proteinfabrik. (Nature, 15. Juli 2010)


Mithilfe der 3D-Kryo-Elektronenmikroskopie lässt sich der Weg der Aminosäure-Transporter (grün und rot) durch das Ribosom (blau-gelb) direkt \"filmen\". Bild: Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie / Stark

Ribosomen - die Proteinfabriken der Zelle - sind molekulare Hochleistungsmaschinen. Nach genetisch kodierten Produktionsplänen fertigen sie Proteine - die universellen Werkzeuge aller Zellen. Proteine bauen Muskeln auf, transportieren zelluläre Fracht, empfangen und übermitteln Signale, bringen chemische Reaktionen in Gang oder sorgen für Wachstum und Bewegung.

Bis zu 20.000 Ribosomen gibt es in einer Bakterienzelle, bis zu einer Million sind es in den Zellen unseres Körpers. Ribosomen bestehen aus über 50 Proteinkomponenten und mehreren Ribonukleinsäure-Molekülen. Mit 25 Nanometern sind Ribosomen etwa so groß wie die kleinsten Viren. Dass es den Forschern Venkatraman Ramakrishnan, Thomas Steitz und Ada Yonath gelang, ihre komplexe Struktur mithilfe der Röntgenkristallografie aufzuklären, brachte ihnen die höchste wissenschaftliche Auszeichnung ein: Sie erhielten dafür 2009 den Nobelpreis für Chemie.

Im Kristall sind Moleküle fixiert; atomar aufgelöste Kristallstrukturen von Ribosomen zeigen daher ein statisches Bild. Doch wie bei echten Maschinen sind die beweglichen Teile der Nanomaschine Ribosom ständig in Bewegung. Ihre genaue Funktionsweise erschließt sich auch hier erst durch genaue Betrachtung während des Betriebs. Die Göttinger Max-Planck-Forscher um Holger Stark und Marina Rodnina haben jetzt einer makromolekularen Maschine erstmals bei der Arbeit zugeschaut. Ihre "Filmsequenz" eines Ribosoms in Aktion zeigt faszinierende neue Einblicke in die Funktionsweise der Proteinfabrik. Sichtbar gemacht wurden die Vorgänge durch Einsatz eines 3D-Kryo-Elektonenmikroskops an schockgefrorenen Ribosomen.

Das mag paradox klingen, denn schockgefrorene Ribosomen können sich selbstverständlich nicht mehr bewegen. "Der Trick ist, dass wir die Ribosomen zunächst in Lösung zum Arbeiten bringen. Durch extrem schnelles Einfrieren zu verschiedenen Zeitpunkten können wir dann die molekulare Maschinerie während unterschiedlicher Arbeitsschritte stoppen. Das Elektronenmikroskop liefert uns mit diesen Proben eine Serie von Aufnahmen der Ribosomen während verschiedener Phasen der Proteinproduktion, bei denen sich die Ribosomen in ihrer räumlichen Struktur unterscheiden", erklärt Holger Stark, Leiter der Forschungsgruppe "Dreidimensionale Kryo-Elektronenmikroskopie" am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie.

50 Ribosomen-Strukturen aus mehr als zwei Millionen Bildern

Der Nachwuchswissenschaftler Niels Fischer hat dazu mehr als zwei Millionen elektronenmikroskopische Bilder der Ribosomen bei der Arbeit aufgenommen und mit aufwendigen Computeralgorithmen nach ihrer Ähnlichkeit in Gruppen sortiert. Diese Gruppen entsprechen den verschiedenen Arbeitsschritten der Proteinfabrik während der Proteinproduktion. Im nächsten Schritt erfolgten die computergestützten Berechnungen der dreidimensionalen Strukturen dieser Ribosomen-Gruppen. Diese Strukturen wurden schließlich so sortiert, dass die Reihenfolge der Bilder die dynamischen Abläufe am Ribosom wiedergibt.

Der Erfolg: 50 Strukturen des Ribosoms in verschiedenen Zuständen der Proteinsynthese zeigen den Forschern, welchen Weg Aminosäure-Transporter -sogenannte Transfer-Ribonukleinsäuren (tRNAs) - während der Proteinproduktion durch das Ribosom nehmen. Wie ein Fließband wird die Matrize für die Proteinsynthese, die Boten-Ribonukleinsäure (mRNA), durch das Ribosom hindurchgeschleust. Dabei wird das fadenförmige mRNA-Molekül in Schritten von jeweils drei Nukleinsäurebasen abgetastet; die Tripletts werden von den passenden tRNAs abgelesen, die eine bestimmte Aminosäure binden. Die Aminosäuren werden nacheinander zu einer Kette zusammengesetzt und ergeben schließlich ein neues Proteinmolekül. Haben die tRNAs ihre Aminosäure-Fracht am Ribosom "abgeliefert", werden sie freigesetzt.

tRNAs auf ihrem Weg durch das Ribosom "zusehen"

"Wir können den Weg der tRNAs durch das Ribosom Schritt für Schritt verfolgen und beobachten, wie die Bewegungen der tRNAs mit den dynamischen Veränderungen des Ribosoms gekoppelt sind," sagt Fischer. "Eine Analyse dieser Kopplungen zeigt, dass Nanomaschinen wie das Ribosom anders funktionieren als mechanisch gekoppelte Maschinen in unserem Alltag. Spontane Bewegungen des Ribosoms und der tRNA-Moleküle sind dort nur relativ schwach gekoppelt", ergänzt Marina Rodnina, Leiterin der Abteilung "Physikalische Biochemie" am Institut.

Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie lässt sich nicht nur eine molekulare Maschine in Aktion sichtbar machen, sondern sogar bei Körpertemperatur untersuchen. Werden Ribosomen bei entsprechender Temperatur zum Arbeiten gebracht, lässt sich ihr Zustand durch schnelles Einfrieren in flüssigem Ethan konservieren. "Unsere Arbeiten haben gezeigt, dass die strukturelle Dynamik des Ribosoms bei 37 Grad Celsius erheblich zunimmt. Das Ribosom kann thermische Energie direkt in Bewegung umsetzen. Die bei physiologischen Bedingungen verfügbare thermische Energie ist für das Ribosom völlig ausreichend, um alle Bewegungen auszuführen, die für die Proteinproduktion erforderlich sind", erklärt Stark. Die Art und Weise, wie große molekulare Maschinen bei physiologisch relevanten Temperaturen arbeiten, können momentan nur mit der Kryo-Elektronenmikroskopie beobachtet werden. Die Methode verspricht daher einzigartige neue Einblicke in die Funktionsweise zellulärer Maschinen.

Die Arbeitsweise des Ribosoms im Detail zu kennen, ist auch für die Medizin von großer Bedeutung. Bestimmte Antibiotika wirken deshalb so erfolgreich, weil sich Ribosomen von Bakterien und höheren Organismen in wichtigen Details unterscheiden. Solche Antibiotika hemmen nur die bakterielle Proteinfabrik, die Ribosomen höherer Zellen dagegen bleiben verschont. Ein genaues Verständnis der Struktur und Funktion des Ribosoms ist daher unerlässlich, um zukünftig neue Antibiotika entwickeln zu können.

Originalveröffentlichung:

Niels Fischer, Andrey L. Konevega, Wolfgang Wintermeyer, Marina V. Rodnina, Holger Stark
Ribosome dynamics and tRNA movement by time-resolved electron cryomicroscopy
Nature, 15. Juli 2010
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Prof. Dr.Holger Stark, Forschungsgruppe "Dreidimensionale Kryo-Elektronenmikroskopie"
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
Tel.: +49 551 201-1305
E-Mail: hstark1@gwdg.de
Prof. Marina Rodnina, Abteilung für "Physikalische Biochemie"
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
Tel.: +49 551 201-2900/2901
E-Mail: rodnina@mpibpc.mpg.de
Prof. Dr. Wolfgang Wintermeyer, Forschungsgruppe "Ribosomendynamik"
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
Tel.: +49 551 201-2902
E-Mail: Wolfgang.Wintermeyer@mpibpc.mpg.de
Dr. Carmen Rotte, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
Tel.: +49 551 201-1304
E-Mail: crotte@gwdg.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de
http://www.mpg.de/video/mpibpc/ribo.swf

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Der erste Blick auf ein einzelnes Protein
18.01.2017 | Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

nachricht Unterschiedliche Rekombinationsraten halten besonders egoistische Gene im Zaum
18.01.2017 | Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön

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: 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...

Im Focus: How gut bacteria can make us ill

HZI researchers decipher infection mechanisms of Yersinia and immune responses of the host

Yersiniae cause severe intestinal infections. Studies using Yersinia pseudotuberculosis as a model organism aim to elucidate the infection mechanisms of these...

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Der erste Blick auf ein einzelnes Protein

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Das menschliche Hirn wächst länger und funktionsspezifischer als gedacht

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Zur Sicherheit: Rettungsautos unterbrechen Radio

18.01.2017 | Verkehr Logistik