Wie Proteine in eine Zellmembran eingelagert werden

Fast ein Drittel aller Proteine von Lebewesen stecken in einer Biomembran fest ¨C entweder in der Aussenmembran einer Zelle oder in den Abgrenzungen zellinterner Kompartimente. Dort ¨¹bernehmen diese Membranproteine wichtige Aufgaben, beispielsweise als molekulare Schleusen, welche Stoffwechselprodukte und N?hrstoffe durch die Membran transportieren, oder als Sensorproteine, um die Zellumgebung zu erfassen.

Wie Membranproteine ¨¹berhaupt in die Membranen reinkommen, haben Forschende unter der Leitung von Daniel J. M¨¹ller, Professor am Departement f¨¹r Biosysteme der ETH Z¨¹rich in Basel, nun untersucht. Sie nutzten dazu eine hochpr?zise Methode, mit denen sie einzelne Proteine aus Membranen herausziehen beziehungsweise auf Membranen deponieren k?nnen. Einzelmolek¨¹l-Kraftspektroskopie nennt sich die Methode, bei der eine computergesteuerte und nur wenige Nanometer dicke Blattfeder pr?zise an einen Ort auf einer Membranoberfl?che gelenkt werden kann. Molekulare Adh?sionskr?fte sorgen daf¨¹r, 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 aufkl?ren, welche es den Membranproteinen erm?glichen, sich in die Membran einzuf¨¹gen: einer sogenannten Insertase und einer Translokase. Ersteres ist ein Protein, letzteres ein Komplex aus mehreren Proteinen. Beide sorgen daf¨¹r, dass sich in der Membran eine Pore ?ffnet. ?Im Fall der Insertase kann man sich diese Pore als Rutschbahn vorstellen. Das Membranprotein liegt zun?chst 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?, erkl?rt ETH-Professor M¨¹ller. ?Ist das Membranprotein schliesslich erfolgreich dreidimensional geformt und in der Membran verankert, l?st sich das Helferprotein los und bildet an anderer Stelle in der Membran eine Rutschbahn f¨¹r das n?chste Protein.?

Wie diese Helferproteine funktionieren, wurde bisher nur ungenau und nur mit sehr kleinen Proteinbruchst¨¹cken oder ausserhalb von Biomembranen untersucht. ?Wir haben nun zum ersten Mal Schritt f¨¹r Schritt beobachtet und beschrieben, wie sich ein ganzes Protein in eine Membran einf¨¹gt und dreidimensional formt?, sagt Tetiana Serdiuk, Postdoc in der Gruppe von ETH-Professor M¨¹ller und Erstautorin der Studie.

Dabei konnten die ETH-Forschenden auch die unterschiedlichen Arbeitsweisen von Insertasen und Translokasen aufzeigen: Insertasen f¨¹gen Peptid-F?den verh?ltnism?ssig schnell, jedoch unkoordiniert in die Membran ein. ?Sie machen daher besonders bei kleinen Proteinen einen guten Job?, so M¨¹ller. Translokasen hingegen f¨¹gen Peptid-F?den Abschnitt f¨¹r Abschnitt in die Membran ein und sind daher bei komplexeren Proteinen besser geeignet.

Zentral f¨¹r die Medizin

Bei dieser Studie handelt es sich um klassische Grundlagenforschung, die besonders wichtig ist angesichts der Bedeutung von Membranproteinen f¨¹r die Medizin, wie M¨¹ller betont: ?Rund die H?lfte aller Medikamente wirken auf Membranproteine, und wir m¨¹ssen verstehen, wie sich diese Membranproteine formen und wie sie funktionieren.?

Ausserdem k?nnte die Einzelmolek¨¹l-Kraftspektroskopie, welche die ETH-Wissenschaftler f¨¹r diese Studie weiterentwickelten, in zus?tzlichen Anwendungen zum Zug kommen: Im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts ?Molecular Systems Engineering? arbeiten M¨¹ller und weitere Wissenschaftler an der Entwicklung k¨¹nstlicher biologischer Zellen. ?Die Methode k?nnte verwendet werden, um Membranh¨¹llen massgeschneidert mit Proteinen zu best¨¹cken und damit zu ?programmieren??, so der ETH-Professor. ?Solche k¨¹nstlichen Zellen k?nnten dereinst als molekulare Fabriken f¨¹r die industrielle Produktion von medizinischen Wirkstoffen eingesetzt werden.?