Neue Details zum Transport von großen Proteinen durch Membranen

Der zerstörungsfreie Transport großer Proteine durch zelluläre Membranen ist ein zentrales Rätsel der Zellbiologie. Mittels hochauflösender Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) untersuchten Leonid Sazanov und Ziyu Zhao am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) diese molekulare Schleuse. Das Team entschlüsselte neue strukturelle Details des Twin-Arginine-Translocation-Systems (Tat-System). Dieses System transportiert vollständig gefaltete, sperrige Proteine durch biologische Barrieren.

Während das Sec-System ungefaltete Polypeptidketten linear durch die Membran schleust, bewältigt das Tat-System bereits native Proteinkonformationen. In Escherichia coli besteht der Komplex aus den Untereinheiten TatA, TatB und TatC. Der genaue Assemblierungsmechanismus und der Translokationsprozess waren bislang unbekannt.

Probenpräparation und kryo-elektronenmikroskopische Analyse

Für die Strukturaufklärung isolierte das Team den instabilen Tat-Komplex in vivo aus E. coli. „Das war kein einfaches Unterfangen, da dieser Proteinkomplex sehr instabil ist. Erst als ich sowohl Tat-Bausteine als auch das zu transportierende Protein in den Bakterien co-exprimierte, war der Komplex haltbar genug, dass ich es aus den Bakterien isolieren konnte und ihn mit Kryo-EM visualisieren konnte“, erklärt Zhao.

Die Aufreinigung des Zielkomplexes gelang durch die Co-Expression des Transporters mit seinem spezifischen Substrat. Die Proben wurden anschließend mittels Schockgefrieren in flüssigem Ethan vitrifiziert. Dies verhindert die Bildung störender Eiskristalle und konserviert die nativen Proteinstrukturen. Die anschließende Kryo-EM-Analyse lieferte Projektionsdaten mit einer Auflösung von 2 bis 3 Ångström. Dies ermöglichte eine atomare Modellierung des Komplexes.

Topologie der molekularen Schleuse und Substrat-Interaktion

Die dreidimensionale Dichtekarte zeigt eine ungewöhnliche Architektur des Translokons. Der Kernkomplex besteht aus drei TatB/C-Heterooligomeren, die in der Lipiddoppelschicht inseriert sind. „Der Tat-Komplex erinnert an eine offene Schüssel mit einem sehr dünnen Boden“, erklärt der Biochemiker. Das gefaltete Frachtprotein interagiert unerwartet an zwei distinkten Stellen mit den TatB/C-Untereinheiten. Die erste Bindungsstelle fungiert als spezifischer Rezeptor für die Signalsequenz des Substrats. Die zweite Interaktionsfläche dient vermutlich als Qualitätskontrolle zur Überprüfung der korrekten Proteinfaltung. Die räumliche Rekonstruktion deutet zudem auf eine regulierte Pore hin. Nach der erfolgreichen Substraterkennung öffnet sich diese Barriere torartig für den eigentlichen Translokationsvorgang. Die genaue Energetik dieses Gating-Mechanismus ist Gegenstand fortlaufender Analysen.

Translationale Relevanz für die Wirkstoffforschung

Das Tat-System fehlt in humanen Zellen, ist jedoch in pathogenen Bakterien essenziell für Metabolismus und Virulenz. Dies macht den Komplex zu einem vielversprechenden Ziel für die Entwicklung neuartiger Antibiotika. Die exakten Strukturdaten bieten nun eine präzise Grundlage für das rationale Design spezifischer Inhibitoren.

Quelle

Institute of Science and Technology Austria (ISTA) (06/2026)