Dienstag, 6. Oktober 2015

Rütteln am Kristallgitter: Forscher messen erstmals schwache Restbewegung in Proteinkristallen

Die Röntgenkristallographie enthüllt die komplexen dreidimensionalen Strukturen winziger Proteinmoleküle. So ermöglicht sie Forschern, die Funktionsweise der Proteine zu verstehen – eine wichtige Grundlage für viele medizinisch-therapeutische und biotechnologische Anwendungen. Ein internationales Forscherteam mit Jülicher Beteiligung konnte nun erstmals nachweisen, dass Proteine selbst in Kristallen eine minimale Restbewegung aufweisen, die die mit diesem Verfahren gewonnenen Strukturbilder "unscharf" macht. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.
Die Messungen an unterschiedlichen Kristallformen gaben zudem Hinweise darauf, auf welche Weise Bilder mit besserer Auflösung erzielt werden können. Denn wie sich zeigte, ist die störende Moleküldynamik in dichter gepackten Kristallen geringer.


Um die räumliche Struktur von Proteinen zu ermitteln, greifen Forscher am häufigsten zur Methode der Röntgenkristallographie. Dafür werden aus den Biomolekülen Kristalle gezüchtet und anschließend mit starken Röntgenstrahlen beschossen. Daraus, wie die Kristalle das Röntgenlicht streuen, lässt sich dann die Struktur der Proteine in atomarer Auflösung berechnen. Um einen geeigneten Kristall zu bilden, müssen sich zunächst viele Billionen der nur wenige Nanometer großen Proteine in eine regelmäßige dreidimensionale Gitterstruktur fügen. Dabei gilt: Je höher der Ordnungsgrad ist, desto höher die Auflösung.

Allerdings kommt es vor, dass optisch "perfekte", also sehr regelmäßig wirkende Kristalle in den Experimenten enttäuschend niedrige Auflösungen liefern. Als Ursache wurde seit langem eine Restbewegungen der kristallisierten Moleküle vermutet, die das Bild ähnlich wie bei einem Foto unscharf machen könnten. Diese molekulare Bewegung konnte allerdings bis jetzt nie nachgewiesen oder näher charakterisiert werden. Genau das ist einem Team von Forschern des Institut de Biologie Structurale (IBS) in Grenoble, der US-amerikanischen Purdue Universität und des Jülicher Institute of Complex Systems, Strukturbiochemie (ICS-6) nun gelungen. Der kombinierte Einsatz mehrerer strukturbiologischer Methoden führte dabei zum Erfolg.

Mithilfe der Kernspinresonanz-Spektroskopie gelang es ihnen, die molekulare Restbewegung des Proteins Ubiquitin in drei unterschiedlich geformten Kristallformen zu messen. Wie sich zeigte, handelt es sich dabei um eine leichte Rotationsbewegung jedes einzelnen Moleküls um einige Grad, die mit einer Frequenz im Mikrosekundenbereich abläuft. Mit molekular-dynamischen Computersimulationen konnten die Forscher ihre Schlussfolgerungen aus den experimentellen Beobachtungen zusätzlich untermauern. Zudem zeigte sich, dass die Proteine in unterschiedlichen Kristallen unterschiedlich große Bewegungs-Amplituden aufweisen: Bei kompakteren Kristallen, in denen die Moleküle enger beieinander waren, blieben sie geringer. Der am wenigsten dicht gepackte Kristall zeigte dagegen auch die stärkste Bewegung. In röntgenkristallographischen Untersuchungen der drei Kristall-Typen konnten die Forscher anschließend zeigen, dass ein direkter Zusammenhang zwischen der Molekülbewegung im Kristall und der Qualität der aus ihnen gewonnen Daten besteht. Die Kristalle, in denen geringere Molekülbewegungen auftraten, lieferten durchgängig bessere Daten und höher aufgelöste Bilder.

"Dass die bisher nur vermutete Molekularbewegung nun zum ersten Mal experimentell beobachtet und ihr Ausmaß in verschiedenen Kristallen ermittelt werden konnte, hat eine wichtige praktische Bedeutung für die Strukturbestimmung von Proteinen", sagt Prof. Dieter Willbold, Direktor am Jülicher ICS-6. "Die Studie erklärt einen bislang unbekannten Faktor, der die Röntgenkristallographie beeinflusst, und gibt generell einen neuen Einblick in die Dynamik molekularer Bewegungen", ergänzt Dr. Paul Schanda, Forschungsgruppenleiter für Festkörper-Kernspinresonanz-Spektroskopie am IBS Grenoble.

Das Jülicher ICS-6 und das IBS Grenoble unterhalten seit Jahren eine besonders enge und erfolgreiche Kooperation, die den gegenseitigen Zugang zu wissenschaftlicher Infrastruktur sowie den Austausch von Expertise und Personal ermöglicht. So promovierte der Erstautor der Studie, Peixiang Ma, bis 2011 in Jülich und ging im Rahmen der Kooperation anschließend als Postdoc nach Grenoble. Vor kurzem wurde er zum Assistenzprofessor an der Shanghai Tech University berufen.

Originalpublikation:
Peixiang Ma et al.: Observing the overall rocking motion of a protein in a crystal. Nature Communications, October 5, 2015, DOI: 10.1038/ncomms9361
Dipl.-Biologin Annette Stettien UnternehmenskommunikationForschungszentrum Jülich


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