Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Proteine in eine Zellmembran eingelagert werden

14.02.2019

Viele Proteine mit wichtigen biologischen Funktionen sind in den Zellen von Menschen und anderen Lebewesen in eine Biomembran eingebettet. Wie kommen sie da überhaupt rein? Forschende am Departement für Biosysteme der ETH Zürich haben dies untersucht.

Fast ein Drittel aller Proteine von Lebewesen stecken in einer Biomembran fest – entweder in der Aussenmembran einer Zelle oder in den Abgrenzungen zellinterner Kompartimente.


Das Helferprotein (hier eine Translokase, violett) befindet sich bereits in der Biomembran (grau). Es hilft einem als Peptid-Faden (links, rot) vorliegenden Membranprotein, sich in die Membran einzufügen (rechts). (Grafik: Serdiuk T et al. Science Advances 2019)


Das Experiment: Mithilfe einer winzigen, nur wenige Nanometer dünnen Blattfeder kann ein Membranprotein (rot) isoliert und an anderer Stelle zu einem Helferprotein (violett) gebracht werden. (Grafik: Serdiuk T et al. Science Advances 2019, verändert)

Dort übernehmen diese Membranproteine wichtige Aufgaben, beispielsweise als molekulare Schleusen, welche Stoffwechselprodukte und Nährstoffe durch die Membran transportieren, oder als Sensorproteine, um die Zellumgebung zu erfassen.

Wie Membranproteine überhaupt in die Membranen reinkommen, haben Forschende unter der Leitung von Daniel J. Müller, Professor am Departement für Biosysteme der ETH Zürich in Basel, nun untersucht.

Sie nutzten dazu eine hochpräzise Methode, mit denen sie einzelne Proteine aus Membranen herausziehen beziehungsweise auf Membranen deponieren können. Einzelmolekül-Kraftspektroskopie nennt sich die Methode, bei der eine computergesteuerte und nur wenige Nanometer dicke Blattfeder präzise an einen Ort auf einer Membranoberfläche gelenkt werden kann. Molekulare Adhäsionskräfte sorgen dafür, dass sich ein dort befindendes Protein an die Blattfeder haftet.

Rolle zweier Helferproteine

In Experimenten mit bakteriellen Proteinen konnten die Forschenden die Rolle von zwei Helferproteinen aufklären, welche es den Membranproteinen ermöglichen, sich in die Membran einzufügen: einer sogenannten Insertase und einer Translokase. Ersteres ist ein Protein, letzteres ein Komplex aus mehreren Proteinen. Beide sorgen dafür, dass sich in der Membran eine Pore öffnet.

«Im Fall der Insertase kann man sich diese Pore als Rutschbahn vorstellen. Das Membranprotein liegt zunächst als unstrukturierter Peptid-Faden vor, der auf dieser Rutschbahn in die Membran gleitet. In der Membran organisiert sich dieser Peptid-Faden dann zu seiner funktionellen dreidimensionalen Form», erklärt ETH-Professor Müller. «Ist das Membranprotein schliesslich erfolgreich dreidimensional geformt und in der Membran verankert, löst sich das Helferprotein los und bildet an anderer Stelle in der Membran eine Rutschbahn für das nächste Protein.»

Wie diese Helferproteine funktionieren, wurde bisher nur ungenau und nur mit sehr kleinen Proteinbruchstücken oder ausserhalb von Biomembranen untersucht. «Wir haben nun zum ersten Mal Schritt für Schritt beobachtet und beschrieben, wie sich ein ganzes Protein in eine Membran einfügt und dreidimensional formt», sagt Tetiana Serdiuk, Postdoc in der Gruppe von ETH-Professor Müller und Erstautorin der Studie.

Dabei konnten die ETH-Forschenden auch die unterschiedlichen Arbeitsweisen von Insertasen und Translokasen aufzeigen: Insertasen fügen Peptid-Fäden verhältnismässig schnell, jedoch unkoordiniert in die Membran ein. «Sie machen daher besonders bei kleinen Proteinen einen guten Job», so Müller. Translokasen hingegen fügen Peptid-Fäden Abschnitt für Abschnitt in die Membran ein und sind daher bei komplexeren Proteinen besser geeignet.

Zentral für die Medizin

Bei dieser Studie handelt es sich um klassische Grundlagenforschung, die besonders wichtig ist angesichts der Bedeutung von Membranproteinen für die Medizin, wie Müller betont: «Rund die Hälfte aller Medikamente wirken auf Membranproteine, und wir müssen verstehen, wie sich diese Membranproteine formen und wie sie funktionieren.»

Ausserdem könnte die Einzelmolekül-Kraftspektroskopie, welche die ETH-Wissenschaftler für diese Studie weiterentwickelten, in zusätzlichen Anwendungen zum Zug kommen: Im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts «Molecular Systems Engineering» arbeiten Müller und weitere Wissenschaftler an der Entwicklung künstlicher biologischer Zellen.

«Die Methode könnte verwendet werden, um Membranhüllen massgeschneidert mit Proteinen zu bestücken und damit zu ‹programmieren›», so der ETH-Professor. «Solche künstlichen Zellen könnten dereinst als molekulare Fabriken für die industrielle Produktion von medizinischen Wirkstoffen eingesetzt werden.»

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Daniel J. Müller
daniel.mueller@bsse.ethz.ch
Tel. +41 61 387 33 07

Originalpublikation:

Serdiuk T, Anja Steudle A, Mari SA, Manioglu S, Kaback HR, Kuhn, A, Müller DJ: Insertion and folding pathways of single membrane proteins guided by translocases and insertases. Science Advances 2019, 5: eaau6824, doi: 10.1126/sciadv.aau6824 [http://advances.sciencemag.org/content/5/1/eaau6824]

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2019/02/wie-protei...

Fabio Bergamin | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: Blattfeder ETH Membranprotein Membranproteine Molecular Proteine Zellen Zellmembran protein

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Betazellfunktion im Tiermodell wiederhergestellt: Neue Wirkstoffkombination könnte Diabetes-Remission ermöglichen
21.02.2020 | Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt

nachricht Darmkrebs: Erhöhte Lebenserwartung dank individueller Therapien
20.02.2020 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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: Ultraschnelles Schalten eines optischen Bits: Gewinn für die Informationsverarbeitung

Wissenschaftler der Universität Paderborn und der TU Dortmund veröffentlichen Ergebnisse in Nature Communications

Computer speichern Informationen in Form eines Binärcodes, einer Reihe aus Einsen und Nullen – sogenannten Bits. In der Praxis werden dafür komplexe...

Im Focus: Fraunhofer IOSB-AST und DRK Wasserrettungsdienst entwickeln den weltweit ersten Wasserrettungsroboter

Künstliche Intelligenz und autonome Mobilität sollen dem Strukturwandel in Thüringen und Sachsen-Anhalt neue Impulse verleihen. Mit diesem Ziel fördert das Bundeswirtschaftsministerium ab sofort ein innovatives Projekt in Halle (Saale) und Ilmenau.

Der Wasserrettungsdienst Halle (Saale) und das Fraunhofer Institut für Optronik,
Systemtechnik und Bildauswertung, Institutsteil Angewandte Systemtechnik...

Im Focus: A step towards controlling spin-dependent petahertz electronics by material defects

The operational speed of semiconductors in various electronic and optoelectronic devices is limited to several gigahertz (a billion oscillations per second). This constrains the upper limit of the operational speed of computing. Now researchers from the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg, Germany, and the Indian Institute of Technology in Bombay have explained how these processes can be sped up through the use of light waves and defected solid materials.

Light waves perform several hundred trillion oscillations per second. Hence, it is natural to envision employing light oscillations to drive the electronic...

Im Focus: Haben ein Auge für Farben: druckbare Lichtsensoren

Kameras, Lichtschranken und Bewegungsmelder verbindet eines: Sie arbeiten mit Lichtsensoren, die schon jetzt bei vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken sind. Zukünftig könnten diese Sensoren auch bei der Telekommunikation eine wichtige Rolle spielen, indem sie die Datenübertragung mittels Licht ermöglichen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) am InnovationLab in Heidelberg ist hier ein entscheidender Entwicklungsschritt gelungen: druckbare Lichtsensoren, die Farben sehen können. Die Ergebnisse veröffentlichten sie jetzt in der Zeitschrift Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201908258).

Neue Technologien werden die Nachfrage nach optischen Sensoren für eine Vielzahl von Anwendungen erhöhen, darunter auch die Kommunikation mithilfe von...

Im Focus: Einblicke in die Rolle von Materialdefekten bei der spin-abhängigen Petahertzelektronik

Die Betriebsgeschwindigkeit von Halbleitern in elektronischen und optoelektronischen Geräten ist auf mehrere Gigahertz (eine Milliarde Oszillationen pro Sekunde) beschränkt. Die Rechengeschwindigkeit von modernen Computern trifft dadurch auf eine Grenze. Forscher am MPSD und dem Indian Institute of Technology in Bombay (IIT) haben nun untersucht, wie diese Grenze mithilfe von Lichtwellen und Festkörperstrukturen mit Defekten erhöht werden könnte, um noch größere Rechenleistungen zu erreichen.

Lichtwellen schwingen mehrere hundert Trillionen Mal pro Sekunde und haben das Potential, die Bewegung von Elektronen zu steuern. Im Gegensatz zu...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leopoldina-Symposium: „Mission – Innovation“ 2020

21.02.2020 | Veranstaltungen

Gemeinsam auf kleinem Raum - Mikrowohnen

19.02.2020 | Veranstaltungen

Chemnitzer Linux-Tage am 14. und 15. März 2020: „Mach es einfach!“

12.02.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Globale Datenbank für Karstquellenabflüsse

21.02.2020 | Geowissenschaften

Leopoldina-Symposium: „Mission – Innovation“ 2020

21.02.2020 | Veranstaltungsnachrichten

Langlebige Fachwerkbrücken aus Stahl einfacher bemessen

21.02.2020 | Architektur Bauwesen

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics