Erstaunlich flexible Struktur von Proteinen

Eine neue Studie über Pflanzenenzyme zeigt, dass Proteine ihre strukturelle Anordnung überraschend leicht ändern können. Alle Enzyme, Signalstoffe und Gewebestrukturen im menschlichen Körper bestehen aus Proteinen. Meist werden sie wie einzelne Stränge von Aminosäuren dargestellt, die wie Perlen an einer Schnur angeordnet sind. US-amerikanische Wissenschaftler haben jetzt herausgefunden, dass Proteine zahlreiche Formen annehmen und sich stark verändern können.

Unterschiedliche molekulare Anordnungen, gleiche Aufgabe

Fast alle Proteine ​​bestehen aus mehreren Strängen, die gefaltet und aneinander gebunden sind und komplizierte 3D-Überstrukturen bilden. Diese werden als molekulare Anordnungen bezeichnet. Die Kenntnis der Strukturen von Proteinen auf der atomaren Ebene ermöglicht es, zu verstehen, wie ein Protein seine Aufgabe erfüllen kann.

Im vergangenen Jahrhundert haben Wissenschaftler mit Technologien wie Röntgenkristallographie und Kryo-Elektronenmikroskopie die Proteinstruktur erforscht. Aber neue Arbeiten zeigen, dass das Verständnis der Proteinstruktur sehr kompliziert sein kann.

Pflanzliches Enzym Rubisco untersucht

Eine Gruppe von Forschern des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) untersuchte für die aktuelle Studie das am häufigsten vorkommende Protein der Welt, ein Enzym namens Rubisco, das an der Photosynthese beteiligt ist. Dabei fanden sie heraus, wie die Evolution zu einer überraschenden Vielfalt molekularer Anordnungen führen kann. Interessanterweise erfüllen alle die gleiche Aufgabe. 

Die Ergebnisse, die im Magazin Science Advances veröffentlicht wurden, zeigen, dass viele bekannte Proteine tatsächlich in anderen, unbekannten Formen existieren können. Bisher wurde angenommen, dass ähnliche Proteine eine ähnliche Struktur aufweisen. Ein aus zwei Einheiten zusammengesetztes Protein, dimer genannt, gleicht demnach verwandten Proteinen, die ebenfalls in einer dimeren Form existieren. Aber die Verzerrungen durch die Röntgenkristallografie verschleierten die Realität. 

Statt einer Hundeart die Vielfalt eines Hundeparks

„Es ist, als ob Sie nach draußen gehen und jemanden sehen würden, der mit seinem Hund spazieren geht. Wenn Sie noch nie einen Hund gesehen haben und dann einen Dackel sehen, würden Sie denken: ‚Okay, so sehen alle Hunde aus.‘ Aber was Sie tun müssen, ist in den Hundepark zu gehen und die ganze Hundevielfalt zu sehen, die es dort gibt“, sagte der Hauptautor der Studie Patrick Shih, Fakultätswissenschaftler im Bereich Biowissenschaften und Direktor für Design von Pflanzenbiosystemen am Joint BioEnergy Institute (JBEI) in San Francisco. 

Diese Erkenntnis gehe über das Studienobjekt, das Enzym Rubisco, hinaus und betreffe alle Proteine. Die Frage sei jetzt, so Shih, ob Wissenschaftler die wahre Vielfalt der Strukturen in der Natur sehen könnten. 

Verschiedene Techniken erfolgreich kombiniert

Um die verschiedenen Rubisco-Anordnungen im metaphorischen Hundepark zu erkunden und zu erfahren, woher sie kommen, arbeitete Shihs Labor mit Experten für Strukturbiologie der Bioscience Area zusammen, die die Advanced Light Source des Berkeley Labs in San Francisco verwendeten. 

Gemeinsam untersuchte das Team eine Art von Rubisco (Form II), die in Bakterien und einer Untergruppe photosynthetischer Mikroben vorkommt. Dabei verwendeten sie die traditionelle Kristallographie. Diese Technik ermöglicht eine Auflösung auf atomarer Ebene. 

Diese kombinierten sie mit einer anderen Strukturlösungstechnik, der Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS). Sie hat eine geringere Auflösung, kann aber Schnappschüsse von Proteinen in ihrer nativen Form machen, wenn sie sich in flüssigen Mischungen befinden. SAXS hat den zusätzlichen Vorteil der Hochdurchsatzfähigkeit, was bedeutet, dass es Dutzende einzelner Proteinanordnungen in schneller Folge verarbeiten kann.

Bisher unbekanntes Tetramer entdeckt

Frühere Arbeiten hatten bereits gezeigt, dass der besser untersuchte Typ von Rubisco, der in Pflanzen gefunden wird (Form I), immer eine „oktamerische Kern“-Anordnung von acht großen Proteineinheiten aufweist, die mit acht kleinen Einheiten verbunden sind. Gleichzeitig wurde angenommen, dass Form II hauptsächlich als Dimer existiert mit seltenen Variationen von Hexameren aus sechs Einheiten. 

Nachdem sie die komplementären Techniken zur Untersuchung von Rubisco-Proben aus einer Vielzahl von Mikrobenarten verwendet hatten, stellten die Autoren fest, dass die meisten Rubisco-Proteine der Form II tatsächlich Hexamere mit gelegentlichen Dimeren sind. Darüber hinaus entdeckten sie ein nie zuvor gesehenes Tetramer, eine Montage aus vier Einheiten.

Ahnenproteine mit Gensequenzen rekonstruiert

Durch die Kombination dieser Strukturdaten mit den jeweiligen proteinkodierenden Gensequenzen konnte das Team eine Rekonstruktion der Ahnensequenz durchführen. Diese computergestützte molekulare Evolutionsmethode kann anhand der Sequenz und des Erscheinungsbilds moderner Proteine abschätzen, wie Ahnenproteine aussahen.

Die Rekonstruktion deutet darauf hin, dass sich das Gen für Form II Rubisco im Laufe seiner Evolutionsgeschichte verändert hat. Das Ergebnis war, Proteine ​​mit einer Reihe von Strukturen zu produzieren, die sich leicht in neue Formen verwandeln oder zu älteren Strukturen zurückkehren. 

Strukturelle Verschanzung bei Form I Rubisco

Im Gegensatz dazu führte im Laufe der Evolution selektiver Druck zu einer Reihe von Veränderungen, die die Form I Rubisco fixierten – ein Prozess, der als strukturelle Verschanzung bezeichnet wird. Deshalb ist die oktamerische Anordnung die einzige Anordnung, die wir heute sehen. 

Bisher wurde angenommen, dass sich die meisten Proteinanordnungen im Laufe der Zeit durch selektiven Druck verfestigten. Damit verfeinerten sie ihre Funktion, wie das bei Form I Rubisco zu sehen. Aber die neue Forschung legt nahe, dass die Evolution auch flexible Proteine ​​​​begünstigen kann.

„Die große Erkenntnis aus dieser Arbeit ist, dass es viel strukturelle Plastizität gibt“, sagte Shih, der auch Assistenzprofessor an der UC Berkeley ist. „Proteine ​​könnten im gesamten Feld viel flexibler sein, als wir bisher geglaubt haben.“

Neue Mutation verbessert Funktion

Nachdem die Rekonstruktion der Ahnensequenz vollendet war, führte das Team Mutationsexperimente durch. Dadurch wollten die Forscher sehen, wie die Veränderung der Rubisco-Anordnung, in diesem Fall das Aufbrechen eines Hexamers in ein Dimer, die Aktivität des Enzyms beeinflusste. 

Unerwarteterweise führte diese induzierte Mutation zu einer Form von Rubisco, die ihr Zielmolekül CO₂ besser verwerten kann. Das natürlich vorkommende Rubisco bindet sich häufig versehentlich an das ähnlich große O₂-Molekül, wodurch die Produktivität des Enzyms verringert wird. 

Aktuell besteht in der Industrie großes Interesse daran, Rubisco in landwirtschaftlichen Pflanzenarten gentechnisch zu verändern, um die Affinität des Proteins zu CO₂ zu erhöhen. Damit könnten produktivere und ressourceneffizientere Pflanzen produziert werden. Es wurde dabei jedoch viel Wert auf das aktive Zentrum des Proteins gelegt – die Region des Proteins, in der CO₂ oder O₂ binden.

Türen für zukünftige Forschungswege geöffnet

Die neuen Erkenntnisse legen nahe, beim Rubisco-Engineering nicht nur die einfachste Antwort zu betrachten, die Region des Enzyms, die tatsächlich mit CO₂ interagiert. Erstautor Albert Liu , ein Doktorand in Shihs Labor, betonte: „Vielleicht gibt es Mutationen außerhalb dieser aktiven Stelle, die tatsächlich an dieser Aktivität beteiligt sind und möglicherweise die Proteinfunktion auf eine von uns gewünschte Weise verändern können.“ Das könnte Türen für zukünftige Forschungswege öffnen.

Co-Autor Paul Adams, stellvertretender Laborleiter für Biowissenschaften und Vizepräsident für Technologie bei JBEI, fügte hinzu: „Die Mischung der angewandten Techniken und die interdisziplinäre Natur des Teams waren ein echter Schlüssel zum Erfolg. Die Arbeit unterstreicht die Kraft der Kombination von Genomdaten und Methoden der Strukturbiologie, um eines der wichtigsten Probleme der Biologie zu untersuchen und einige unerwartete Schlussfolgerungen zu ziehen.“

Quelle:

Liu AK, Pereira JH, Kehl AJ, Rosenberg DJ, Orr DJ, Chu SKS, Banda DM, Hammel M, Adams PD, Siegel JB, Shih PM. Structural plasticity enables evolution and innovation of RuBisCO assemblies. Sci Adv. 2022 Aug 26;8(34):eadc9440. doi: 10.1126/sciadv.adc9440. Epub 2022 Aug 26. PMID: 36026446; PMCID: PMC9417184. (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36026446/)

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Kornelia ist ausgebildete Redakteurin, Buchautorin und freie Texterin. Ihre Erfahrung mit Ess-Störungen hat sie in drei Kochbüchern beschrieben, die alle den Gourmand World Cookbook Awards von Edouard Cointreau gewonnen haben. Ihr Buch Cooking for Happiness hat sogar den Titel ‘Best in the World’ in der Kategorie Innovativ erhalten. Neben Ernährung faszinieren sie vor allem Themen im Bereich Gesundheit. Ihr umfangreiches Wissen in diesen Gebieten stellt sie leicht verständlich dar. Besonders liegt ihr eine ganzheitliche Sicht der menschlichen Existenz im Allgemeinen und Körperfunktionen im Besonderen am Herzen.

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