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 Die wahrscheinlich kleinsten Stabmagnete der Welt
17.10.2019 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination
17.10.2019 | Universität Ulm

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: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Im Focus: Solving the mystery of quantum light in thin layers

A very special kind of light is emitted by tungsten diselenide layers. The reason for this has been unclear. Now an explanation has been found at TU Wien (Vienna)

It is an exotic phenomenon that nobody was able to explain for years: when energy is supplied to a thin layer of the material tungsten diselenide, it begins to...

Im Focus: Rätsel gelöst: Das Quantenleuchten dünner Schichten

Eine ganz spezielle Art von Licht wird von Wolfram-Diselenid-Schichten ausgesandt. Warum das so ist, war bisher unklar. An der TU Wien wurde nun eine Erklärung gefunden.

Es ist ein merkwürdiges Phänomen, das jahrelang niemand erklären konnte: Wenn man einer dünnen Schicht des Materials Wolfram-Diselenid Energie zuführt, dann...

Im Focus: Wie sich Reibung bei topologischen Isolatoren kontrollieren lässt

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien, die elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Wie sie auf Reibung reagieren, haben Physiker der Universität Basel und der Technischen Universität Istanbul nun erstmals untersucht. Ihr Experiment zeigt, dass die durch Reibung erzeugt Wärme deutlich geringer ausfällt als in herkömmlichen Materialien. Dafür verantwortlich ist ein neuartiger Quantenmechanismus, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Dank ihren einzigartigen elektrischen Eigenschaften versprechen topologische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computerindustrie, aber...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Wenn der Mensch auf Künstliche Intelligenz trifft

17.10.2019 | Veranstaltungen

Verletzungen des Sprunggelenks immer ärztlich abklären lassen

16.10.2019 | Veranstaltungen

Digitalisierung trifft Energiewende

15.10.2019 | Veranstaltungen

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

Dehnbare Elektronik: Neues Verfahren vereinfacht Herstellung funktionaler Prototypen

17.10.2019 | Materialwissenschaften

Lumineszierende Gläser als Basis neuer Leuchtstoffe zur Optimierung von LED

17.10.2019 | Physik Astronomie

Dank Hochfrequenz wird Kommunikation ins All möglich

17.10.2019 | Informationstechnologie

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