Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Zelluläre „Licht-Schalter“ mit Neutronenstreuung analysiert

23.03.2016

Die inneren Bewegungen von Proteinen können für ihre Funktionsfähigkeit bedeutend sein. Dafür finden Forscher immer mehr Beispiele. Auch bei den in der Natur weit verbreiteten und zudem biotechnologisch bedeutsamen „LOV-Photorezeptoren“ haben Wissenschaftler aus Jülich, Aachen, Düsseldorf und Garching bei München nun mit Hilfe von Neutronenspektroskopie dynamische Prozesse nachgewiesen. Die Ergebnisse zeigen das große Potential von Neutronenstreuuntersuchungen für die Untersuchung zellulärer Prozesse. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Biophysical Journal“ veröffentlicht (DOI: 10.1016/j.bpj.2016.01.021).

Molekularbiologen lieben LOV-Proteine, denn mit ihrer Hilfe lassen sich biologische Vorgänge fast wie mit einem Schalter an- und ausknipsen. Wenn man sie mit anderen Proteinen koppelt, lassen sich diese mit Licht steuern und Stoffwechselprozesse in den modifizierten Zellen untersuchen.


Überlagerte Bewegungsstadien eines LOV-Proteins (im Vordergrund), erstellt mit Molekulardynamiksimulation.

Forschungszentrum Jülich/M. Bocola, RWTH Aachen

Der emotional klingende Name der biologischen Schalter hat einen nüchternen Ursprung: Es handelt sich um ein Akronym der englischen Begriffe für Licht, Sauerstoff und Spannung – der ausgeschriebene Name lautet „Flavin-binding light, oxygen, voltage photoreceptor“.

In der Natur stimulieren solche lichtsensitiven Eiweißmoleküle zum Beispiel das Wachstum von Pflanzen zum Licht und in Bakterien die Bildung von Photosynthesepigmenten, wenn Licht auf sie fällt. Ihre große Verbreitung und ihr technologischer Nutzen rühren unter anderem daher, dass sie modular funktionieren: Die Schaltfunktion lässt sich mit verschiedenen Prozessen kombinieren.

Die ersten Untersuchungen von LOV-Proteinen mit Hilfe von Neutronenstreuung am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching zeigten nun die Bedeutung der Bewegungen im Inneren der Biomoleküle für ihre Funktionsfähigkeit. Die Forscher analysierten dazu Rezeptoren aus dem Bodenbakterium Pseudomonas putida mit einer zeitlichen Auflösung im Nano- und Pikosekundenbereich.

„Im unbelichteten Protein fanden wir stärkere Bewegungen als im belichteten“, erläutert Dr. Andreas Stadler vom Institute of Complex Systems und Jülich Centre for Neutron Science am Forschungszentrum Jülich. „Die belichtete Version ist steifer, vor allem in bestimmten Bereichen.“

Um herauszufinden, welche Bereiche des Proteins sich bewegen, verglichen die Forscher ihre Neutronenanalysen mit bereits aus Röntgenuntersuchungen bekannten Strukturinformationen von kristallisierten LOV-Proteinen und simulierten zudem potentielle Bewegungen am Computer.

Denn Neutronen können nicht direkt die Bewegungen eines einzelnen Proteinmoleküls erfassen, sondern nur die gemittelten Bewegungen aller Proteine in der Probe. Deshalb sind stets weitere Untersuchungen nötig, um die Ergebnisse richtig interpretieren zu können. „Dann spielen die Neutronen ihre Fähigkeiten wie in diesem Fall optimal aus und können einzigartige Einblicke in die Funktion von biologischen Prozessen liefern“, freut sich Stadler.

Bekannt war bereits, dass im Fall des untersuchten LOV-Proteins jeweils zwei Proteinmoleküle zusammen eine Funktionseinheit bilden. Deren Form erinnert in ihrer aktiven, belichteten Form an einen Hasenkopf mit spitz aufgestellten Ohren. In der nichtaktiven, unbelichteten Form hängen die „Ohren“. Die Bewegungen, die die Forscher nun bei den unbelichteten Proteinen gefunden haben, passen genau zu der Vorstellung, dass dieser Zustand flexibler und beweglicher ist, wohingegen die stehenden „Ohren“ unbeweglicher, steifer sind.

Aus früheren Untersuchungen war ebenfalls bekannt, dass das lichtaktive Zentrum sich jeweils im „Backenbereich“ der Hasenkopfform des Proteins befindet. Bei Belichtung entsteht eine chemische Bindung zwischen dem lichtaktiven Zentrum und einer bestimmten Stelle des Proteinrückrats. Die Forscher gehen nun davon aus, dass die Bildung dieser Bindung zu strukturellen Änderungen führt, die sich durch das Protein bis zu den „Ohren“ fortpflanzen und deren Versteifung und gleichzeitige Verdrehung auslöst. Die „Ohren“ stellen vermutlich den eigentlichen Schalter dar, der daran gekoppelte Proteine aktivieren und deaktivieren kann.

Für die Untersuchung von Proteinen bieten Neutronen viele Vorteile gegenüber anderen Methoden und können komplementäre Informationen liefern. So müssen die Proteine weder gefärbt noch kristallisiert noch anderweitig verändert werden, um sie zu untersuchen. Auch ist das Verfahren sehr sanft zu den Proben, die dadurch länger beobachtet werden können. Und es kann leichte Atome in den Molekülen, unter anderem Wasserstoff, besser detektieren, auch in der natürlichen Umgebung von Proteinen – wässrigen Lösungen.

Bild: Überlagerte Bewegungsstadien eines LOV-Proteins (im Vordergrund), erstellt mit Molekulardynamiksimulation. Die rot eingefärbten Bereiche zeigen die Ausgangsstellung, die blau eingefärbten die Endstellung. Eine funktionsfähige Einheit besteht aus zwei LOV-Domänen – die zweite ist semitransparent im Hintergrund zu sehen. Die lichtabsorbierenden Zentren des Proteins sind in beiden Untereinheiten als Kugel-Stab-Modelle dargestellt.
Quelle: Forschungszentrum Jülich/M. Bocola, RWTH Aachen

Originalveröffentlichung:
Photoactivation reduces side-chain dynamics of a LOV photoreceptor;
A. Stadler et al.;
Biophysical Journal, Volume 10, March 2016, 1061-1074, DOI: 10.1016/j.bpj.2016.01.021

Ansprechpartner:
Dr. Andreas Stadler, Forschungszentrum Jülich, Jülich Centre for Neutron Science - Neutronenstreuung (ICS-1/JCNS-1), Tel. 02461 61-4502, E-Mail: a.stadler@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich,
Tel. 02461 61-6048, E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de - Forschungszentrum Jülich
http://www.fz-juelich.de/ics/DE/ - Institute of Complex Systems
http://www.fz-juelich.de/jcns/ - Jülich Centre for Neutron Science
http://www.fz-juelich.de/ics/ics-1/ - Institutsbereich Neutronenstreuung (ICS-1/JCNS-1)
http://www.iet.uni-duesseldorf.de/ - Institut für Molekulare Enzymtechnologie
http://www.biotec.rwth-aachen.de/index.php?page=home - Lehrstuhl für Biotechnologie, RWTH Aachen
http://mlz-garching.de/ - Heinz Maier-Leibnitz Zentrum

Dipl.-Biologin Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Zellen auf Wanderschaft: Falten in der Zellmembran liefern Material für nötige Auswölbungen
23.11.2017 | Westfälische Wilhelms-Universität Münster

nachricht Neues Verfahren zum Nachweis eines Tumormarkers in bösartigen Lymphomen
23.11.2017 | 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: Reibungswärme treibt hydrothermale Aktivität auf Enceladus an

Computersimulation zeigt, wie der Eismond Wasser in einem porösen Gesteinskern aufheizt

Wärme aus der Reibung von Gestein, ausgelöst durch starke Gezeitenkräfte, könnte der „Motor“ für die hydrothermale Aktivität auf dem Saturnmond Enceladus sein....

Im Focus: Frictional Heat Powers Hydrothermal Activity on Enceladus

Computer simulation shows how the icy moon heats water in a porous rock core

Heat from the friction of rocks caused by tidal forces could be the “engine” for the hydrothermal activity on Saturn's moon Enceladus. This presupposes that...

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Ecology Across Borders: International conference brings together 1,500 ecologists

15.11.2017 | Event News

Road into laboratory: Users discuss biaxial fatigue-testing for car and truck wheel

15.11.2017 | Event News

#Berlin5GWeek: The right network for Industry 4.0

30.10.2017 | Event News

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Kinderanästhesie aktuell: Symposium für Ärzte und Pflegekräfte

23.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Seminar „Leichtbau im Automobil- und Maschinenbau“ im Haus der Technik Berlin am 16. - 17. Januar 2018

23.11.2017 | Seminare Workshops

Biohausbau-Unternehmen Baufritz erhält von „ Capital“ die Auszeichnung „Beste Ausbilder Deutschlands“

23.11.2017 | Unternehmensmeldung