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Intelligente Schleusen in der Membran

Keine Zelle ist eine Insel - die kleinsten Einheiten des Lebens stehen vielmehr in ständigem Stoff- und Informationsaustausch mit der Umgebung. Aber dazu müssen Proteine über die Membran hinaus gelangen, andere müssen in die Membran eingebaut werden, wie zum Beispiel Rezeptoren. Wie Bakterien diesen Transport abwickeln, untersucht die Arbeitsgruppe von Privatdozent Dr. Hans-Georg Koch von der Universität Freiburg. Der molekulare Mechanismus entpuppt sich als ziemlich raffiniert.

Links: „gesunde“ E.-coli-Zellen im Elektronenmikroskop. Rechts: E.-coli-Zellen, bei denen der Proteintransport gehemmt wurde. © Prof. Dr. Hans-Georg Koch

Eine Lipid-Doppelschicht riegelt jede Zelle effizient nach außen ab, bei einigen Bakterien sind es sogar zwei. Und doch müssen einige Stoffe diese Schranken passieren können, etwa Signalmoleküle oder antennenartige Fühler, die ihre sensiblen Fortsätze in die Umgebung strecken und nützliche Haftflächen binden. Wie schafft es die Zelle, dass nur das richtige die Grenzen übertritt? Wie erkennt sie, welche Eiweiße sie zur Hälfte in die Membran einbauen und welche sie ganz über sie lotsen soll? Das Wissen über den Mechanismus bei Bakterien kann sehr nützlich sein. Medikamente könnten die Transportwege von lebensnotwendigen Proteinen stören oder die Membran für lebensfeindliche Substanzen durchlässig machen. „Bakterien besitzen ein System, das es ähnlich auch in anderen Lebewesen gibt“, sagt Privatdozent Dr. Hans-Georg Koch vom Institut für Biochemie und Molekularbiologie der Universität Freiburg. „Allerdings sitzt es in Bakterien an einer anderen Stelle.“

Zielgerichteter Transport

Den Proteintransport in tierischen oder pflanzlichen Zellen erledigt unter anderem das wie eine Art Poststation funktionierende Membransystem des Endoplasmatischen Retikulums (ER), das in direkter Nachbarschaft zum Zellkern liegt. Neu synthetisierte Proteine gelangen in sein Inneres oder in seine Membran. Es schnürt sie in kleine fettlösliche Pakete ab, diese wandern zur Zellmembran und verschmelzen mit ihr. Der Inhalt gelangt nach draußen, Proteine in der Membran der ER-Pakete bleiben hingegen in der Lipid-Doppelschicht der Zelle. „Diese Möglichkeit haben Bakterienzellen nicht, denn sie haben gar kein ER“, sagt Koch. „Aber das Prinzip, nach dem neusynthetisierte Eiweiße ins ER oder in seine Membran gelangen, ähnelt sehr stark dem, was an der Bakterienmembran abläuft.“ Koch und seine Mitarbeiter untersuchen den Vorgang vor allem in dem Modellorganismus E. coli, aber auch der Keuchhustenerreger oder das Magengeschwüre erzeugende Bakterium Helicobacter pylori gehören zu ihren Versuchsobjekten. Inzwischen können die Forscher die einzelnen Schritte im Groben nachzeichnen.

Links: E.-coli-Zellen, in denen der SRP-Rezeptor durch einen grünen Fluoreszenzfarbstoff markiert wurde. Rechts: E.-coli-Zellen, in denen der Proteintransportkanal in der Bakterienmembran durch fluoreszenz-markierte Antikörper sichtbar gemacht wurde (rot). © Prof. Dr. Hans-Georg Koch

Proteine werden in Bakterien wie in anderen Zellen von großen Maschinen zusammengebaut, den Ribosomen. Sind sie für die Membran oder für den extrazellulären Raum bestimmt, tragen sie am vorderen Ende eine Sequenz von Aminosäuren, die wie ein Pass oder ein Signal funktioniert. Ein Molekül, das frei im Zellinneren wartet, erkennt diese Sequenz. Sein Name lautet Signal Recognition Particle (SRP). „Das SRP gibt es nicht nur in tierischen oder pflanzlichen Zellen“, sagt Koch. „Wir konnten zeigen, dass es auch in Bakterien vorkommt und eine entscheidende Rolle beim Proteintransport spielt.“ Der Mechanismus in Bakterienzellen: SRP bindet die Signalsequenz, sobald der erste Teil eines neusynthetisierten Proteins aus dem Ribosom herauskommt. Es lotst den ganzen Komplex zur Bakterienmembran. Dort sitzt der sogenannte SRP-Rezeptor, also ein Protein, das das SRP erkennen und binden kann. In seiner Nähe befindet sich auch ein großer Kanal, der aus mehreren Eiweißuntereinheiten zusammengebaut ist und eine Pore in der Membran darstellt. An diesen Kanal nähert sich nun das Ribosom mit dem entstehenden Protein. Das SRP fällt vom Komplex ab, und das Ribosom drückt das immer länger werdende Protein in den Kanal.

Ein Lotse mit Entscheidungsgewalt

Dieser Mechanismus ähnelt stark dem, was an der Membran des ER abläuft. „Bei Bakterien funktioniert er in dieser Form allerdings nur, wenn das neu entstehende Protein in der Membran bleiben soll“, sagt Koch. „Zeigt die Signalsequenz an, dass es nach draußen muss, dann bindet SRP nicht.“ Stattdessen stellt das Ribosom sein Produkt zunächst ganz her, bevor es von einem Motorprotein zum Membrankanal transportiert und durch den Kanal nach draußen gedrückt wird.

: Kristallstruktur des Proteintransportkanals ohne Inhalt. Die Pore in der Mitte ist in gelb dargestellt © Prof. Dr. Hans-Georg Koch

Die entscheidende Frage ist nun: Woher weiß der Kanal, welchen Typ von Protein er gerade beherbergt? Schließlich kann nur er bestimmen, ob er einen Teil in die Lipid-Doppelschicht einbaut oder ob er den Passagier vollständig durchlotst. „Wie das geschieht, ist noch nicht ganz klar“, sagt Koch. „Aber unsere Hypothese ist, dass der Kanal die Hydrophobizität eines Proteins erkennt.“ Der Kanal misst also vermutlich, wie wasserabweisend sein Inhalt ist. Besitzt das Protein viele eher fettliebende Bestandteile, öffnet sich laut der Annahme Kochs ein Schlitz im Durchgang, und der Inhalt kann in die Lipid-Doppelschicht eintauchen. Ist die Fettliebe nicht allzu groß, drückt der Kanal alles vollständig auf die andere Seite und damit aus der Bakterienzelle heraus.

„Ob das tatsächlich so ist, lässt sich allerdings nur schwer feststellen“, sagt Koch. „Wir müssten den Kanal in Aktion kristallisieren können, dann würden wir die Struktur analysieren und sehen, ob es eine Pore gibt, wenn ein fettlösliches Protein im Inneren des Kanals steckt.“ Da der Transport aber sehr dynamisch abläuft, ist es extrem schwierig, das gesamte System in einen Kristall zu verwandeln. „Momentan stoßen wir noch an unsere Grenzen“, sagt Koch. „Aber wir arbeiten daran.“

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