Eine Studie am European XFEL liefert neue Erkenntnisse zur Proteindynamik in dicht gepackten Umgebungen. Ein internationales Forschungsteam untersuchte die Grundlagen der molekularen Fortbewegung. Entscheidend ist nicht allein die Viskosität des Umfelds. Auch Wechselwirkungen zwischen den Molekülen beeinflussen die Bewegung maßgeblich. Unter spezifischen Bedingungen bewegen sich einzelne Proteine überraschend schneller als gedacht.
„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.
Proteine steuern zelluläre Reaktionen, übertragen Signale und interagieren miteinander. Dazu müssen sie das dicht gepackte Zytoplasma durchqueren. Bekanntlich hemmt eine viskose Umgebung diese Dynamik. Die aktuelle Studie zeigt jedoch zusätzliche, bisher unberücksichtigte Einflussfaktoren.
Experimenteller Aufbau mit Ferritin
Als Modellprotein nutzten die Forschenden das eisenspeichernde Protein Ferritin. Wässrige Proteinlösungen wurden mit Korpuskeln versetzt, um zelluläre Zustände nachzubilden. Zum Einsatz kamen kleine Zuckermoleküle sowie große, verzweigte Polymere.
Megahertz-Röntgenphotonenkorrelationsspektroskopie
Die Bewegungen wurden mittels hochauflösender Megahertz-Röntgenphotonenkorrelationsspektroskopie im Mikroskundenbereich zeitlich aufgelöst. „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.
Die Messdaten belegen eine veränderte Anordnung der Proteine durch die zugesetzten Moleküle. Proteine ziehen sich an und bilden vorübergehend Komplexe aus zwei bis drei Einheiten. Nach kurzer Zeit trennen und erneuern sich diese Verbünde. Innerhalb der Komplexstrukturen verlangsamt sich die Proteindynamik messbar. „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.“
Unerwartetes Diffusionsverhalten
Die Zunahme der Umgebungsdichte führt nicht zwangsläufig zu einer kontinuierlichen Verlangsamung einzelner Proteine. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Bewegung von Proteine nicht allein davon abhängt, wie zähflüssig ihre Umgebung ist“, sagt Professor Christian Gutt von der Universität Siegen. „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.“
Bedeutung für die biochemische Forschung
Die Befunde liefern präzisere Modelle für physiologische Transportprozesse in Zellextrakten. Sie erklären grundlegende Mechanismen der Enzymaktivität und Protein-Interaktion genauer. Langfristig bieten die Daten Ansätze zur Optimierung von Wirkstoff-Übertragungssystemen bei Erkrankungen.