Tanz auf dem Trockenen: Wie Eiweiße ohne Wasser aktiv bleiben

07. April 2021

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Eiweiße benötigen eigentlich Wasser, um ihre Funktion ausüben zu können. Dass es auch ohne Wasser geht und wie sich das sauerstofftransportierende Muskelprotein Myoglobin dann bewegt, haben Forscherinnen und Forscher genauer mit Neutronen beobachtet. Ihre Ergebnisse sind jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen.

Es war bis vor kurzem ein ungeschriebenes Gesetz, dass Eiweiße Wasser benötigen. Ohne das flüssige Element als Schmierstoff können sie sich nicht bewegen, und so auch nicht aktiv werden, so die Lehrmeinung. Doch schon 2010 fanden Forscher heraus, dass mehrkettige Moleküle, sogenannte Polymere, den Eiweißen ebenfalls Leben einhauchen. Das ist interessant für viele Anwendungen in der Medizin und Kosmetik. Wie das genau funktioniert, war bisher allerdings noch unklar.

Film in Pikosekunden-Auflösung

Nun hat ein internationales Forscherteam um Dr. Martin Weik vom Institut de Biologie Structurale der Universität Grenoble, Frankreich, Neutronen am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) genutzt, um zu sehen, wie sich die Eiweiße mit Polymeren im Vergleich zur wässrigen Lösung bewegen. „Wir hatten das zum ersten Mal vor zehn Jahren grob gemessen. Wir konnten damals zeigen, dass das Eiweiß sich bewegt und also noch funktioniert, obwohl das Wasser weg ist.“ erklärt Martin Weik. „Jetzt versuchen wir zu verstehen, wie diese Bewegungen genau ablaufen.“ Für die detaillierteren Messungen am sauerstofftransportierenden Muskelprotein Myoglobin nutzte die Gruppe wie schon beim ersten Mal das Rückstreuspektrometer SPHERES, das das Forschungszentrum Jülich am MLZ betreibt, und erstmals das Flugzeitspektrometer TOFTOF, betrieben von der Technischen Universität München (TUM). „Wir können hier die Bewegungen des Myoglobins und Polymers, die unterschiedlich markiert sind, bis auf eine Zeitskala von Pikosekunden verfolgen.“, sagt Dr. Wiebke Lohstroh, Wissenschaftlerin der TUM am Instrument TOFTOF. Denn Neutronen zeigen Bewegungen von Wasserstoffatomen deutlicher auf als die von schwererem Deuterium, das als Markierung benutzt wird. Auch die erweiterten Messungen am SPHERES haben einen entscheidenden Beitrag geliefert: „Mit den nun gemessenen hochaufgelösten Spektren kann man verschiedene Bewegungsprozesse direkt auf molekularer Ebene beobachten“, sagt Dr. Michaela Zamponi, Instrumentwissenschaftlerin am SPHERES vom Jülich Centre for Neutron Science (JCNS).

Polymer ahmt Bewegung des Wassers nach

„Mit den Ergebnissen machen wir einen konkreten Vorschlag, was man am Polymer verbessern muss, damit das Protein noch aktiver wird“, sagt Martin Weik. „Überraschenderweise haben wir festgestellt, dass das Polymer Bewegungen des Wassers nachahmt.“ Das hält das trockene Eiweiß biologisch aktiv, bestimmte Bewegungen sind aber unterdrückt. Damit erklären sich die Forscherinnen und Forscher, warum das Eiweiß weniger aktiv ist, wenn das Wasser durch Polymere ersetzt wird. Mit etwas Fine-Tuning aber kann man erreichen, dass das Eiweiß aktiver ist.

Herzpatienten profitieren

Das neue Wissen nützt etwa bei der Behandlung von Krebs oder nach Herzinfarkten. Ziel des Forscherteams ist es, Protein-Polymer-Hybride als Reparaturmechanismus in der Zelltherapie einzusetzen und damit etwa Herzinfarktpatientinnen und -patienten bei der Genesung zu helfen. So kann wieder gesundes Herzgewebe hergestellt werden. Der Vorteil der wasserlosen Protein-Polymer-Verbindungen: Sie verlängern das Überleben der Patienten und begünstigen die Ansiedlung der transplantierten Zellen.  

Originalveröffentlichung:

Diffusive-like motions in a solvent free protein-polymer hybrid

Giorgio Schirò, Yann Fichou, Alex P. S. Brogan, Richard Sessions, Wiebke Lohstroh, Michaela Zamponi, Gerald J. Schneider, François-Xavier Gallat, Alessandro Paciaroni, Douglas J. Tobias, Adam Perriman, Martin Weik; Phys. Rev. Lett. Vol. 126, No. 8(2021) DOI 10.1103/PhysRevLett.126.088102

Weitere Informationen:

An der Forschungsarbeit waren außerdem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der folgenden Institutionen beteiligt:

University of Bristol, Großbritannien, School of Biochemistry, Bristol, Großbritannien, King’s College London, Großbritannien, Louisiana State University, USA, University of California, USA, Università degli Studi di Perugia, Italien.

Pressemeldung des Forschungszentrums Jülich vom 2. August 2012 „Maschinen des Lebens arbeiten auch ohne Wasser“