Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

“Streckbank” für winzige Moleküle: TUM-Wissenschaftler erfassen Dynamik der Proteinfaltung

28.10.2011
Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben einen wichtigen Schritt getan, um die Abläufe in biologischen Zellen besser zu verstehen.

Mit einer am TUM-Lehrstuhl für Biophysik entwickelten Methode können sie ein einzelnes Protein festhalten und auseinanderziehen. Die Streckvorrichtung – eine optische Pinzette für winzige Moleküle – macht die Faltung und Entfaltung von Proteinen kontinuierlich messbar. Bis zu ihrer endgültigen Faltung folgen Protein-Moleküle einer Vielzahl struktureller und kinetischer Pfade, die mitunter in Sackgassen oder auch in Schnellstraßen münden. Das berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe von Science.


Mit Hilfe einer Laserpinzette können TUM-Forscher einzelne Moleküle dehnen und strecken
Bild: Johannes Stigler / TUM

Wie die Proteine in ihre dreidimensionale Form gelangen, ist eine der wichtigsten Fragen der Biowissenschaften und der Medizin. Denn Fehler im Faltungsprozess von Proteinen sind für Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson verantwortlich. Die Funktionen und auch die Fehlfunktionen von Proteinen werden größtenteils durch ihre Struktur bestimmt. Wissenschaftler der TU München verfolgen deshalb seit Jahren verschiedene Ansätze, die Faltungsprozesse besser zu verstehen. In ihren neuesten Experimenten untersuchen sie das Calmodulin-Molekül. Es gehört zu den häufigsten Eiweißen im menschlichen Organismus und fungiert als wichtiger Signalgeber für Zellabläufe.

Während Röntgenstrukturen „Schnappschüsse“ von der Faltung einzelner Moleküle machen, erzeugt der neuartige Ansatz von Prof. Matthias Rief und seinen TUM-Kollegen nun bewegte Bilder. Zwar sind diese Aufnahmen verschwommen, weil sie nur die Länge der Moleküle erfassen. Sie ermöglichen es aber, die Dynamik des Faltungsprozesses in einer neuen Genauigkeit zu untersuchen.

Neben Prof. Rief waren die TUM-Doktoranden Johannes Stigler, Fabian Ziegler, Anja Gieseke und Christof Gebhardt (jetzt Postdoc an der Harvard University) an den Experimenten beteiligt. Forschungsmittel des Institute for Advanced Study der TU München ermöglichten dem Lehrstuhl die Anschaffung einer ultra-stabilen und hoch auflösenden „optischen Pinzette“. Mithilfe von Laserstrahlen kann das Gerät auch kleinste Objekte wie zwischen Daumen und Zeigefinger festhalten.

Bevor das Calmodulin-Molekül gestreckt werden kann, wird es eingespannt. Dazu bringen es die Forscher zwischen zwei robusteren Molekülen des Proteins Ubiquitin ein. Rückstände der Aminosäure Cystein an den äußeren Enden dieses Molekül-Sandwiches ermöglichen die Verknüpfung mit Griffen aus DNA-Molekülen. Diese Griffe wiederum sind mit kleinen Glasperlen verbunden, die nur einen Mikrometer messen. Die Glasperlen – und mit ihnen das Calmodulin-Molekül – können dann mithilfe der optischen Pinzette auseinander gezogen werden. Mit dieser Versuchsanordnung konnten die Wissenschaftler das Protein in unterschiedliche Richtungen bis zu seiner vollen Länge dehnen und es mit nachlassender Spannung jeweils wieder in den Ausgangszustand versetzen. Gemessen wurden die Proteinlänge, die angelegten mechanischen Kräfte und die Dauer des Prozesses. Als Versuchsumgebung diente eine wässrige Lösung mit Calciumionen, die stabile Faltungsprozesse favorisiert und den natürlichen Bedingungen in der Zelle nahe kommt.

Die Versuchsergebnisse machen nun deutlich, dass die Faltungsprozesse von verschiedenen Teilbereichen des Calmodulin-Moleküls zwar eigenständig ablaufen, sich aber dennoch gegenseitig fördern oder blockieren können. “Die Faltung eines Calmodulin-Moleküls lässt sich mit einem komplizierten Geflecht von Pfaden vergleichen”, erklärt Prof. Matthias Rief. “Sie leiten Teile des Proteins durch unterschiedliche energetische Zustände wie durch Berge und Täler. Und während ein Faltungspfad in eine Sackgasse führt, mündet ein anderer womöglich in eine Schnellstraße. Über diese erreichen bestimmte Molekülteile dann ihre endgültige Faltung sehr viel schneller als das Gesamtmolekül selbst”, sagt Rief.

Zwar ist das Calmodulin-Molekül im Vergleich zu den meisten anderen menschlichen Proteinen ziemlich klein. Dennoch weist es eine komplizierte Faltung auf. “In der Natur sind sogar weitaus komplexere Strukturen die Regel. Mithilfe der Untersuchung einzelner Moleküle tragen wir schrittweise dazu bei, sie besser zu verstehen”, fasst Prof. Rief zusammen.

Das Forschungsprojekt “Protein Folding Mechanics” wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB 863 A2), das Institute for Advanced Study der TU München und das Elitenetzwerk Bayern unterstützt.

Originalpublikation:
Johannes Stigler, Fabian Ziegler, J. Christof M. Gebhardt, Matthias Rief: The Complex Folding Network of Single Calmodulin Molecules. Science, Oct. 28, 2011, pp. 512-516

DOI: 10.1126/science.1207598

Kontakt:
Prof. Matthias Rief
Lehrstuhl für Biophysik - Technische Universität München
James-Franck-Strasse
85748 Garching, Germany
Tel: +49 89 289 12471
E-Mail: mrief@ph.tum.de

Dr. Ulrich Marsch | idw
Weitere Informationen:
http://bio.ph.tum.de/home/e22-prof-dr-rief/rief-home.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Einblick ins geschlossene Enzym
26.06.2017 | Universität Konstanz

nachricht 'Fix Me Another Marguerite!'
23.06.2017 | Universität Regensburg

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: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Future Security Conference 2017 in Nürnberg - Call for Papers bis 31. Juli

26.06.2017 | Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblick ins geschlossene Enzym

26.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Laser – World of Photonics: Offene und flexible Montageplattform für optische Systeme

26.06.2017 | Messenachrichten

Biophotonische Innovationen auf der LASER World of PHOTONICS 2017

26.06.2017 | Messenachrichten