Mehr als nur zähflüssig: Forschende untersuchen die Bewegung von Proteinen
Eine Studie an der internationalen Forschungsanlage European XFEL bringt neue Erkenntnisse über die Bewegung von Proteinen in zellähnlichen Umgebungen. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht. Erstautorin ist die Doktorandin Michelle Dargasz von der Uni Siegen.
Wie finden Proteine ihren Weg durch das dichte Gedränge im Inneren einer Zelle? Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Universität Siegen ist dieser Frage an der weltweit größten Röntgenlaser-Anlage nachgegangen – dem European XFEL. Die Ergebnisse der Messungen zeigen: Entscheidend ist nicht nur, wie zähflüssig die Umgebung ist. Auch wie sich die Moleküle gegenseitig beeinflussen, spielt eine wichtige Rolle – und kann sogar dazu führen, dass sich einzelne Proteine unter bestimmten Bedingungen zunächst schneller bewegen als erwartet. Die Studie wurde jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Science“ (PNAS) veröffentlicht.
„Am European XFEL zu forschen, war eine tolle Möglichkeit und eine großartige Erfahrung. Da Proteine sehr klein sind – wir bewegen uns hier im Nanometer-Bereich – eignen sich die kurzwelligen Röntgenstrahlen gut, um sie zu untersuchen“, sagt Michelle Dargasz, Erstautorin der Studie und Doktorandin bei Christian Gutt, Professor für Festkörperphysik an der Universität Siegen.
Proteine übernehmen in Zellen lebenswichtige Aufgaben: Sie steuern chemische Reaktionen, übertragen Signale und arbeiten mit anderen Proteinen zusammen. Damit das funktioniert, müssen sie sich durch das dicht gepackte Zellinnere bewegen. Dass die Zähflüssigkeit der Umgebung die Bewegung von Proteinen beeinflusst, ist bekannt. Die Studie von Dargasz und ihren Kolleg*innen zeigt jedoch, dass darüber hinaus weitere Effekte eine entscheidende Rolle spielen.
Für ihre Experimente nutzten die Forschenden das Protein Ferritin, das in fast allen Lebewesen vorkommt und Eisen speichert. Sie mischten der wässrigen Proteinlösung verschiedene Stoffe bei, die das dichte Innere einer Zelle nachbilden – von kleinen Zuckermolekülen bis hin zu großen, verzweigten Polymermolekülen.
Am European XFEL konnten die Forschenden die Bewegung der Proteine mit der hochauflösenden Megahertz-Röntgenphotonenkorrelationsspektroskopie verfolgen. Diese macht sichtbar, wie sich die Proteine innerhalb von Millionstel Sekunden bewegen. „Die sehr schnell aufeinanderfolgenden Röntgenpulse des European XFEL ermöglichen es, genau die kurzen Zeitskalen zu beobachten, auf denen sich Proteine in einer dicht gepackten Umgebung bewegen“, erklärt Johannes Möller, Wissenschaftler am MID-Instrument des European XFEL.
Die Messungen zeigen, dass die zugesetzten Moleküle nicht nur die Zähflüssigkeit der Lösung verändern. Sie beeinflussen auch, wie sich die Proteine zueinander anordnen: Durch die Anwesenheit der Moleküle ziehen sich die Proteine gegenseitig an und lagern sich kurzfristig zu kleinen Komplexen von zwei bis drei Proteinen zusammen. Nach kurzer Zeit trennen sie sich wieder, um sich dann an anderer Stelle noch einmal neu zusammen zu lagern. Sind sie zu solchen Komplexen verbunden, bewegen sich die Proteine etwas langsamer als einzeln.
„Größe und Form der Moleküle, die das Zellinnere nachbilden, entscheiden darüber, wie stark sich Proteine auf kleinster Skala organisieren“, erklärt Michelle Dargasz. „Damit beeinflussen sie auch, wie stark die gemeinsame Bewegung der Proteine beeinflusst wird.“
Besonders überraschend war ein weiteres Ergebnis: Einzelne Proteine werden nicht einfach mit zunehmender Dichte immer langsamer. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Bewegung von Proteinen nicht allein davon abhängt, wie zähflüssig ihre Umgebung ist“, sagt Professor Christian Gutt von der Universität Siegen, der die Studie leitete. „Bei geringen Konzentrationen der Polymermoleküle sehen wir stattdessen, dass sich die Proteine zunächst sogar freier bewegen können, bevor die bremsende Wirkung der Zähflüssigkeit einsetzt – ein Verhalten, das bisher so nicht beobachtet wurde.“
Die neuen Erkenntnisse helfen dabei, die Abläufe im Inneren lebender Zellen besser zu verstehen. Sie liefern ein realistischeres Bild davon, wie sich Proteine unter natürlichen Bedingungen bewegen und miteinander zusammenarbeiten. Langfristig könnten die Ergebnisse dazu beitragen, grundlegende biologische Prozesse – etwa die Zusammenarbeit von Proteinen oder die Aktivität von Enzymen – besser zu erklären. Solche Erkenntnisse könnten in Zukunft zum Beispiel helfen, bei bestimmten Krankheiten die Medikamentenapplikation zu verbessern.
Hintergrund:
An der Studie waren Forschende der Universitäten Siegen, TU Dortmund, Tübingen und Stockholm sowie des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY und des European XFEL beteiligt. Das Forschungsprojekt wurde vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen des Programms ErUM-Pro gefördert. Der genutzte Workflow für Datenverarbeitung wurde im Rahmen der DAPHNE4NFDI-Initiative gemäß den FAIR-Datenprinzipien entwickelt.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Christian Gutt (Department Physik der Universität Siegen)
E-Mail: christian.gutt@uni-siegen.de
Tel.: 0271 740-3741
Originalpublikation:
https://doi.org/10.1073/pnas.2524733123
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