Neutronen ermöglichen neuen Einblick in die Proteinfaltung

Dr. Heinrich Frielinghaus an der Kleinwinkelstreuanlage KWS-1. Dr. Heinrich Frielinghaus an der Kleinwinkelstreuanlage KWS-1. © Andreas Heddergott/TUM

Dr. Heinrich Frielinghaus an der Kleinwinkelstreuanlage KWS-1. © Andreas Heddergott/TUM

Proteine gehören zu den Grundbausteinen des Lebens. Sie geben Struktur, ermöglichen Bewegung oder katalysieren Stoffwechselprozesse. Mithilfe von Neutronen hat ein Deutsch-Japanischen Forschungsteam nun eine bisher unbekannte Proteinstruktur entdeckt – ein wichtiger Schritt, um die komplexen Faltungsprozesse der Eiweiße besser zu verstehen.

Die Basis von Proteinen bilden Aminosäuren, 21 verschiedene beim Menschen, aneinandergereiht zu Ketten. Damit Proteine richtig funktionieren, müssen die Ketten sich zu komplexen dreidimensionalen Gebilden falten und verknäulen. Diese Faltvorgänge zu untersuchen oder korrekt vorauszusagen, ist für die Wissenschaft eine große Herausforderung. Neue Einblicke in diese Komplexität ermöglichten einem Team von Forschern des Forschungszentrums Jülich und aus Japan nun erneut Untersuchungen mit Neutronen als Sonde am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) in Garching.

Unbekannte Proteinstruktur entdeckt

Mittels Neutronenkleinwinkelstreuung untersuchten die Jülicher Forscher gemeinsam mit Kollegen von der Universität Ibaraki nun das Protein Cytochrom C´ unter verschiedenen pH-Bedingungen und fanden eine noch unbekannte Struktur des Proteins. Cytochrom C und verwandte Proteine kommen in fast allen Lebewesen vor, auch dem Menschen, und dienen dem Transport von Elektronen. Fehlerhafte Cytochrom C-Proteine werden als Ursache für Krankheiten diskutiert. Den Forschern diente ein Cytochrom C´ aus Bakterien als Untersuchungsobjekt.
Die neue Struktur fanden sie unter stark alkalischen Bedingungen. Solche Bedingungen sind zwar in der Natur unüblich, zeigen aber, welche Faltungen prinzipiell möglich sind. „Nur Neutronen ermöglichen es, Proteinstrukturen unter solchen Umgebungsbedingungen zu untersuchen“, erläutert Dr. Henrich Frielinghaus, Instrumentwissenschaftler am Jülicher Neutronenkleinwinkelinstrument KWS-1 am MLZ. „Solche Erkenntnisse tragen Schritt für Schritt dazu bei, die komplexen Faltungsvorgänge von Proteinen besser zu verstehen und vorhersagen zu können.“

Neutronen ermöglichen Untersuchung in natürlicher Umgebung

Um die dreidimensionale Struktur von Proteinen zu bestimmen, nutzen Forscher:innen üblicherweise Röntgenkristallographie. Weil Proteine in ihrer natürlichen Form die energiereichen Röntgenstrahlen nicht lange genug aushalten für eine Messung, werden die Proteine dafür zunächst in Kristalle umgewandelt. Die darin periodisch angeordneten Atome streuen die Röntgenstrahlen sehr viel stärker. Aus dem resultierenden Streubild lässt sich die atomare Struktur des Kristalls rekonstruieren. Jedoch ist dies eine aufwendige Prozedur, die zudem abgefälschte Ergebnisse liefern kann. Denn meist nimmt das Protein als Kristall eine in dieser unnatürlichen Umgebung energetisch günstige Form ein.
Neutronen sind im Vergleich zu Röntgenstrahlen viel sanftere Sonden. Deshalb ist für Strukturuntersuchungen mit Neutronen keine Kristallisierung nötig. Die Proteine können in gelöster Form untersucht werden. Dabei lassen sich verschiedenste Bedingungen erzeugen, solche, die typisch für die natürliche Umgebung des Proteins sind, aber auch solche, die in der Natur nur kurzzeitig oder in Teilbereichen des Proteins vorkommen könnten, z.B. während eine Proteinkette synthetisiert wird und ihre dreidimensionale Form herausbildet. Zudem bleibt in Lösung die Bewegungsfreiheit der Proteine erhalten. Dadurch überlagern sich in einer einzigen Probe viele mögliche Proteinstrukturen, die so nicht mit Röntgenkristallographie beobachtet werden können, jedoch mit Neutronen.

Text: A. Wenzik / Forschungszentrum Jülich