Die Selbstorganisation von Proteinen ist ein wichtiges Problem der öffentlichen Gesundheit, aber diese Mechanismen sind noch wenig verstanden. Forschern des Weizmann-Instituts ist es gelungen, dieses gut gehütete Geheimnis des menschlichen Körpers zu verstehen, das zu Krankheiten wie Diabetes und Alzheimer führt.
Die Funktionen des menschlichen Körpers werden von großen Molekülen von großer Komplexität, den sogenannten Proteinen, ausgeführt. Die Speicherung von Sauerstoff in unserem Blut wird beispielsweise durch Hämoglobin, ein Protein, gewährleistet. Die Struktur und Dynamik dieser Proteine sind absolut notwendig für das reibungslose Funktionieren unseres Körpers, der im Kontakt mit der Außenwelt vielen Mutationen unterliegt. In den allermeisten Fällen sind sie entweder gutartig oder vorübergehend, da es unserem Körper gelingt, diese Mutationen zu zerstören. Aber manchmal überdauert eine Mutation unsere unzähligen Körperabwehrsysteme und setzt sich durch. Bei der Alzheimer-Krankheit beginnen mutierte Proteine zu verklumpen und verursachen die bekannten Symptome.
Dr. Emmanuel Levy und sein Team interessieren sich für die Fähigkeit von Proteinen, sich selbst zusammenzubauen. Inspiriert durch das Hämoglobin-Protein, das für seine Fähigkeit zur Selbstorganisation bei der genetischen Erkrankung der Sichelzellkrankheit bekannt ist, versuchten sie, die Kriterien für die Selbstorganisation von Proteinen zu verstehen.
Sie zeigen die Bedeutung der Grenzflächensymmetrie: Besitzt das Protein zusätzlich zu seinen Symmetriefähigkeiten bindungsfreudige Gruppen, beginnen die Proteine im Zuge der Selbstorganisation, immer längere Filamente zu bilden.
Nehmen Sie die beiden oben genannten Beispiele – Sichelzellenanämie und Alzheimer-Krankheit. Im ersten Fall können sich Hämoglobinproteine auf natürliche Weise zusammensetzen, ohne ihre Form für die Selbstorganisation zu verändern. Bei der Alzheimer-Krankheit müssen Proteine ihre Form verändern, was Zeit und Energie kostet, was zum Teil das langsame Fortschreiten der Krankheit erklärt.
In ihren Experimenten stellten die Forscher ein Protein her, das aus acht identischen Einheiten besteht. Durch diese Eigenschaft erzeugt die Mutation eines Gens acht identische Mutationen in jeder der Einheiten des Proteins. Nach mehreren Versuchen fanden sie schließlich eine einzigartige Mutation, die es ermöglichte, große Filamente zu erzeugen, indem sie der Oberfläche hydrophobe Aminosäuren hinzufügten (dh die kein Wasser mögen). Um ihre Studien in einem breiteren Rahmen fortzusetzen, wählten sie elf symmetrische Proteine aus und erzeugten in jedem von ihnen dreiundsiebzig verschiedene Mutationen. Diese gigantische Arbeit zeigt, dass Mutationen es Proteinen in dreißig Fällen ermöglichen, sich selbst zusammenzusetzen. In der Hälfte der Fälle lagern sich die Proteine zu Filamenten zusammen, in der anderen Hälfte bilden sie amorphe Klumpen.
Wenn diese Mutationen so einfach herzustellen sind, warum kommen sie dann in der Natur so selten vor? Die Forscher beobachten, dass Proteine mit hoher Symmetrie im Allgemeinen hydrophile Aminosäuren auf ihrer Oberfläche haben, was die Wechselwirkungen zwischen den Proteinen einschränkt. Tatsächlich „zieht“ die hydrophile Natur Wassermoleküle an und begrenzt so Wechselwirkungen mit anderen Proteinen.
Diese Forscher sind Teil einer großen Gemeinschaft, die versucht, die Selbstorganisation von Proteinen zu verstehen, die ein großes Problem für die öffentliche Gesundheit bei Krankheiten wie Alzheimer oder Diabetes darstellt. Diese Forschung ermöglicht es auch, das Verständnis und die Beherrschung der Nanowelt als Ganzes voranzutreiben, also einer Welt, die 100 Mal kleiner ist als das kleinste Sandkorn.
Autor: Samuel Cousin, Postdoktorand am Institut Weizmann Wissenschaft für BVST
Veröffentlicht in Natur, 2. août 2017
