Wie Proteine „atmen“ und was sie erstarren lässt

Dank moderner Fortschritte in der Strukturanalyse können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler molekulare Strukturen heute mit atomarer Präzision bestimmen. Allerdings liefern diese Methoden häufig nur statische Momentaufnahmen, welche die für die biologische Funktion entscheidende Dynamik der Proteine nicht widerspiegeln. Obwohl die Proteinkristallographie seit über einem halben Jahrhundert als zentrale Säule dieser Analyse gilt, zeigt sie lediglich starre Molekülstrukturen – vergleichbar mit Standbildern eines Videos, die weit entfernt vom pulsierenden Leben in den Zellen sind. „Wie viel können uns diese ‚eingefrorenen Momentaufnahmen‘ wirklich über die tatsächlichen biologischen Funktionen und das geschäftige molekulare Umfeld der Proteine verraten?“, fragt Lea Becker.

Um diese grundlegende Frage zu klären, hat Becker gemeinsam mit Paul Schanda und einem internationalen Forschungsteam, darunter Christophe Chipot und Sylvain Engilberge, zusammengearbeitet. Die Forschenden des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und ihre Partner kombinierten Erkenntnisse aus der Röntgenkristallographie, der Kernmagnetresonanz-Spektroskopie (NMR) und der Molekülmodellierung. Durch diese methodische Verknüpfung gelang es ihnen, technische Beschränkungen zu überwinden und ein vollständigeres Bild des natürlichen Verhaltens von Proteinen zu gewinnen. Sie beleuchteten, wie Proteine „atmen“ und auf welche Weise bestimmte experimentelle Techniken ihre Bewegung zum Stillstand bringen. Diese neuen Erkenntnisse könnten künftig die Ansätze im Protein-Design maßgeblich fördern und KI-basierte Strukturvorhersagetools weiter verbessern.

Flüchtige Strukturen mit echter Funktion

Proteine unterscheiden sich stark in ihrer Form sowie Größe, und ihre Bindungsstellen liegen oft tief im Inneren verborgen. Um andere Moleküle überhaupt binden zu können, müssen sie ihre Struktur daher teilweise drastisch verändern. „Wissenschafter:innen verwenden häufig den Begriff ‚Atembewegung‘, um diesen vorübergehenden Vorgang des ‚Öffnens‘ eines Proteins zu beschreiben“, erklärt Schanda. „Hinter diesem scheinbar einfachen Begriff verbirgt sich jedoch eine komplexe molekulare Choreografie, die in jedem Protein ständig abläuft. Doch oft fehlt uns ein detailliertes Verständnis dieses Phänomens.“

Das Problem liegt in den Grenzen der Technologie, denn viele strukturanalytische Methoden können nicht alle Konformationen sichtbar machen, die für eine biologische Funktion wesentlich sind. Besonders die Kristallisation kann Moleküle in wenige starre Formen innerhalb des Kristallgitters zwingen, während dasselbe Protein in einer flüssigen Lösung sehr viel freier agiert. „Mit unserer Studie wollen wir die wahre Dynamik von Proteinen über die Zeit aufdecken“, sagt Schanda.

Technische Grenzen überwinden

Um diese hochdynamische mikroskopische Welt zu erforschen, untersuchte das Team Synergien zwischen verschiedenen experimentellen Methoden der letzten Jahre. „Man betrachtet Experimente oft als objektive Fenster in die Natur. Doch jede Methode hat ihre Grenzen und beleuchtet meist nur einen Teil der Wahrheit“, sagt Becker, deren Forschung sich auf Methodik-Entwicklung konzentriert. „Indem wir Methoden weiterentwickeln und kombinieren, wollen wir diese Grenzen überwinden und unseren Erkenntnishorizont erweitern.“

Als Modellsystem analysierten Becker und ihr Team die konformationelle Flexibilität des Proteins GB1 sowie dessen Bindung an den Antikörper IgG. Dies geschah sowohl in der festen Phase mittels Röntgenkristallographie und Festkörper-NMR als auch in Lösung durch eine Kombination fortgeschrittener Markierungsmethoden mit quantitativer NMR-Analyse. Zudem machten erweiterte Molekulardynamik-Simulationen das Geschehen als molekulare „Filme“ sichtbar.

Aromatische Ringe zeigen das „Atmen“ von Proteinen

Um das präzise Zusammenspiel sowie das „Atmen“ von GB1 und IgG zu verstehen, untersuchte das Team die Rotation spezieller chemischer Gruppen in einzelnen Aminosäuren. Während sich diese Proteinbausteine über eine gemeinsame Rückgratstruktur zu Ketten verbinden, bestimmen die individuellen Seitenketten die Faltung und Form des Proteins. Manche dieser Seitenketten enthalten wassermeidende, aromatische Ringe, die im Inneren oder im aktiven Zentrum des Proteins verborgen liegen. Diese Eigenschaft und ihre Fähigkeit, sich umzudrehen, machen sie zu idealen Indikatoren für Proteinbewegungen unter verschiedenen experimentellen Bedingungen.

„Damit sich ein aromatischer Ring umklappt, muss sich das ganze Protein deutlich bewegen. Daher sind sie verlässliche Indikatoren der Dynamik. Indem wir messen, wie schnell diese Ringe im Proteininneren und in aktiven Zentren während der Bindung rotieren, können wir ablesen, wie frei ein Protein ‚atmet‘“, erklärt Becker. „Wir wussten bereits, dass Kristallisation die Freiheit der Proteinbewegung einschränken kann. Unser interdisziplinärer Ansatz hilft uns nun, einige dieser molekularen Details zu verstehen.“

Dynamische Strukturen auf Abruf?

Die Art und Weise, wie Substrate ihre Bindungsstellen erreichen, verdeutlicht die evolutionäre Entwicklung von Proteinen zu spezifischen Funktionen, da nur eine begrenzte Anzahl konformationeller Dynamiken bestimmte biologische Aktivitäten erlaubt. Bisher tat sich das de‑novo‑Protein‑Design – die computergestützte Erzeugung völlig neuer Proteine – jedoch schwer damit, dynamische Strukturen zu entwickeln, was den dringenden Bedarf an experimentellen Daten zur natürlichen Proteindynamik unterstreicht.

„Maschinell entworfene Proteine wurden darauf optimiert, statische Strukturen wiederzugeben. Doch diese ‚eingefrorenen‘ Strukturen zeigen vermutlich nicht das gesamte Spektrum funktionaler Konformationen in der Natur“, sagt Schanda. „Wenn wir Protein‑Dynamik experimentell aufdecken, können wir künftig Proteine mit besserer funktionaler Relevanz modellieren und designen.“ Dieses Wissen wird zudem KI-basierte Tools wie AlphaFold verbessern, welche die biomedizinische Forschung und Wirkstoffentwicklung bereits revolutioniert haben. „Die Dynamik von Proteinen zu verstehen und deren Zusammenhang mit biologischen Funktionen zu entschlüsseln, macht Strukturbiologie wirklich spannend“, sagt Schanda.

Quelle

Institute of Science and Technology Austria (06/2026)