Neue Einblicke in die Bewegung einzelner Moleküle

Die Proteine in unseren Zellen sind ständig in Bewegung, weil Atome und Moleküle bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt ‚zittern‘. Dieses schnelle Zittern bildet eine Art Hintergrundrauschen, aus dem heraus langsamere Bewegungen wie das Auf- und Zuklappen von Proteinen stattfinden. Solche Bewegungen sind wichtige Kontrollmechanismen für die Aktivität und Signalfunktion von Proteinen. Ein interdisziplinäres Team unter Leitung von Forschenden der Universität Freiburg, Tübingen und Lund/Schweden hat jetzt zum ersten Mal untersucht, wie diese verschiedenen Moleküldynamiken zusammenhängen. Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift Advanced Science erschienen.

"Wir wollten herausfinden, wie aus den schnellen, ständig stattfindenden Molekülbewegungen heraus die Wechsel zwischen funktionalen Zuständen resultieren," erklärt Prof. Dr. Thorsten Hugel, der am Institut für Physikalische Chemie der Universität Freiburg forscht und Mitglied des Exzellenzclusters CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies - ist. "Dafür haben wir nicht nur einzelne Moleküle untersucht, was an sich schon technisch extrem anspruchsvoll ist, sondern deren Bewegungen im Bereich von Millionstel Sekunden", sagt Hugel.

Kombinierte Methoden für Einblicke in schnelle, dynamische Prozesse

Das internationale Forschungsteam kombinierte dafür Expertise in hochauflösender Mikroskopie, Neutronenstreuungsexperimenten und der Computersimulation einzelner Moleküle – Techniken, die sonst vor allem in der physikalischen Forschung angewandt werden. "Wesentlich zum Erfolg beigetragen hat die bisher einzigartige Verzahnung der unterschiedlichen Ansätze", kommentiert Dr. Steffen Wolf vom Physikalischen Institut der Universität Freiburg die gemeinsame Arbeit. Seine Arbeitsgruppe kombinierte die experimentellen Ansätze in Computersimulationen. "Unsere Simulationsdaten sind zum Beispiel direkt in die mathematische Auswertung der Neutronenstreudaten eingeflossen", sagt Wolf.

Schnelle Bewegungen von Hsp90 entdeckt

Im Rahmen der Studie untersuchten die Forschenden das Protein Hsp90. Dieses sogenannte Hitzeschock-Protein kommt in hoher Anzahl in menschlichen Zellen vor und ist wichtig für die Faltung, die Aktivierung und den Abbau vieler anderer Proteine. Insbesondere die Aktivität von Hsp90 in Krebszellen macht es zu einem vielversprechenden Ziel für die Entwicklung von Krebsmedikamenten.

Die Ergebnisse zeigen, dass Hsp90 Bewegungen ausführt, die innerhalb von ungefähr 150 Nanosekunden ablaufen. Diese Bewegungen sind langsamer als das ständig stattfindende Zittern und schneller als der Wechsel zwischen den verschiedenen Konformationen des Proteins. Die Forschenden sehen darin einen wichtigen Mechanismus für die Wechselwirkung mit anderen Proteinen, und einen Ansatzpunkt für weitere Forschung. "Eine so detaillierte Charakterisierung der Dynamik eines funktionalen Proteins hat es bisher noch nicht gegeben", fasst Hugel die Ergebnisse der gemeinsamen Arbeit zusammen. "Wir denken, dass wir damit eine zukunftsweisende Studie präsentieren, die zeigt, wie einzelne biophysikalische Methoden synergistisch miteinander kombiniert werden können."

Mehr Information:

• Originalpublikation:
  Benedikt Sohmen, Christian Beck, Veronika Frank, Tilo Seydel, Ingo Hoffmann, Bianca Her-mann, Mark Nüesch, Marco Grimaldo, Frank Schreiber, Steffen Wolf, Felix Roosen-Runge, Thorsten Hugel. The Onset of Molecule-Spanning Dynamics in Heat Shock Protein Hsp90. In: Advanced Science (2023). DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202304262
• Prof. Dr. Thorsten Hugel
• PD Dr. Steffen Wolf
• Exzellenzclusters CIBSS - Centre for Integrative Biological Signalling Studies an der Universität Freiburg