Mechanismus einer lichtgetriebenen Natriumpumpe aufgeklärt

Natrium, das auch in handelsüblichem Kochsalz enthalten ist, spielt eine wesentliche Rolle für Lebensvorgänge der meisten biologischen Zellen. So bauen viele Zellen ein Konzentrationsgefälle zwischen ihrem Inneren und der Umgebung auf.

Dazu transportieren spezielle Pumpen in der Zellmembran Natrium aus der Zelle heraus. Mithilfe eines solchen Konzentrationsgefälles nehmen beispielsweise Zellen des Dünndarms oder der Niere bestimmte Zucker auf.

Auch in den Membranen von Bakterien finden sich solche Natriumpumpen. Sie zählen zur Familie der sogenannten Rhodopsine. Das sind spezielle Proteine, die durch Licht aktiviert werden.

Diese transportieren beispielsweise bei im Meer lebenden Bakterien wie Krokinobacter eikastus Natrium aus der Zelle heraus. Die entscheidende Komponente des Rhodopsins ist das sogenannte Retinal, eine Form von Vitamin A.

Es ist von zentraler Bedeutung für Menschen, Tiere, bestimmte Algen und viele Bakterien. In der Netzhaut des menschlichen Auges stösst Retinal beispielsweise den Sehvorgang an, wenn es unter Lichteinfluss seine Form verändert.

Blitzschnelle Aufnahmen

Forschenden des Paul Scherrer Instituts PSI ist es nun gelungen, die Natriumpumpe von Krokinobacter eikastus in Aktion aufzunehmen und dabei die molekularen Veränderungen zu dokumentieren, die zum Natriumtransport notwendig sind.

Dafür nutzten sie ein Verfahren, das als serielle Femtosekunden-Kristallografie bezeichnet wird. Eine Femtosekunde ist der billiardste Teil einer Sekunde, eine Millisekunde ist der tausendste Teil. Dabei wird die zu untersuchende Probe – in diesem Fall eine kristallisierte Natriumpumpe – zeitversetzt erst von einem Laser- und dann von einem Röntgenstrahl getroffen.

Im Fall des bakteriellen Rhodopsins aktiviert der Laser das Retinal und der anschliessend auftreffende Röntgenstrahl liefert Daten über Strukturveränderungen innerhalb des gesamten Proteinmoleküls. Da der SwissFEL 100 Röntgenpulse pro Sekunde produziert, sind zeitlich hochaufgelöste Aufnahmen möglich.

«Eine zeitliche Auflösung im Femtosekundenbereich erzielen wir am PSI nur mithilfe des SwissFEL», sagt Christopher Milne, der die Experimentierstation Alvra mitentwickelt hat, an der die Aufnahmen gemacht wurden. «Eine der Herausforderungen dabei ist, die Kristalle so in die Versuchsapparatur zu injizieren, dass sie punktgenau mit den Pulsen des Lasers und des Röntgenstrahls zusammentreffen.»

Pumpe in Aktion

In dem aktuellen Versuch betrugen die Zeitintervalle zwischen Laser- und Röntgenstrahl zwischen 800 Femto- und 20 Millisekunden. Durch jeden Röntgenpuls entsteht eine einzelne Aufnahme eines Proteinkristalls. Und so wie ein Kinofilm letztendlich aus einer Vielzahl einzelner Fotos besteht, die aneinandergereiht und dann schnell abgespielt werden, so lassen sich auch die einzelnen Bilder, die mithilfe des SwissFEL gewonnen werden, zu einer Art Film zusammensetzen.

«Der Vorgang, den wir mit unserem Experiment beobachten konnten und der in etwa dem Transport eines Natrium-Ions durch eine Zellmembran entspricht, dauert insgesamt 20 Millisekunden», erklärt Jörg Standfuss, der die Gruppe für zeitaufgelöste Kristallografie im Bereich Biologie und Chemie am PSI leitet. «Neben der Aufklärung des Transportvorgangs konnten wir auch zeigen, wie die Natriumpumpe durch kleine Veränderungen in ihrer Struktur ihre Spezifität für Natrium erreicht.»

Das stellt sicher, dass nur Natrium-Ionen und keine anderen positiv geladenen Ionen transportiert werden. Die Forschenden deckten mit ihren Untersuchungen ausserdem die molekularen Veränderungen auf, mit denen die Pumpe verhindert, dass die einmal aus der Zelle beförderten Natrium-Ionen wieder durch sie in die Zelle zurückströmen.

Fortschritte in Optogenetik und Neurobiologie

Da Konzentrationsunterschiede von Natrium auch bei der Reizleitung von Nervenzellen eine besondere Rolle spielen, besitzen Neuronen ebenfalls leistungsfähige Natriumpumpen in ihrer Membran. Strömt vermehrt Natrium in das Zellinnere, wird ein Reiz weitergeleitet. Das überschüssige Natrium in der Zelle transportieren diese Pumpen anschliessend wieder nach aussen.

Da die Natriumpumpe von Krokinobacter eikastus durch Licht getrieben wird, können Forschende sie nun für die sogenannte Optogenetik nutzen. Mit dieser Technologie werden Zellen, in diesem Fall Nervenzellen, genetisch so verändert, dass man sie durch Licht steuern kann. Dabei wird die Pumpe mithilfe molekulargenetischer Verfahren in Nervenzellen eingebaut.

Wird sie dann durch Licht aktiviert, kann ein Neuron beispielsweise keine Reize mehr weiterleiten, da dafür eine Steigerung der Natriumkonzentration in der Nervenzelle notwendig wäre. Das verhindert aber das bakterielle Rhodopsin, indem es unablässig Natrium aus der Zelle heraustransportiert. Aktive Natriumpumpen inaktivieren also ein Neuron.

«Wenn wir verstehen, was genau in der Natriumpumpe des Bakteriums abläuft, kann das helfen, die Experimente in der Optogentik zu verbessern», sagt Petr Skopintsev, Doktorand in der Gruppe Zeitaufgelöste Kristallografie. «Beispielsweise lassen sich damit Varianten des bakteriellen Rhodopsins identifizieren, die effektiver arbeiten als die Form, die man üblicherweise in Krokinobacter findet.» Zusätzlich erhoffen sich die Forscher Erkenntnisse darüber, wie einzelne Mutationen die Ionenpumpen so verändern können, dass sie anschliessend andere Ionen als Natrium transportieren.

Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forschenden heute im Fachmagazin Nature.

Text: Paul Scherrer Institut/Sebastian Jutzi

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 407 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Dr. Jörg Standfuss
Gruppenleiter Zeitaufgelöste Kristallografie
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 25 86
E-Mail: joerg.standfuss@psi.ch [Deutsch, Englisch]

Femtosecond to millisecond structural changes in a light-driven sodium pump
Petr Skopintsev et al.
Nature, 20. Mai 2020
DOI: https://dx.doi.org/10.1038/s41586-020-2307-8

http://psi.ch/de/node/34150 – Darstellung der Mitteilung auf der Webseite des PSI und Bildmaterial