„Tai-Chi“ in der Zelle

Pro­te­ine – die uni­ver­sel­len „Arbeits­pfer­de“ aller Zel­len – sind nur dann funk­ti­ons­fä­hig, wenn bei ihrer Her­stel­lung die Ami­no­säu­ren genau nach Bau­plan anein­an­der­ge­fügt wer­den. Feh­ler in der Pro­te­in-Pro­duk­ti­on kön­nen fata­le Fol­gen haben und zu schwe­ren Erkran­kun­gen wie Krebs füh­ren. Die „Pro­te­in­fa­bri­ken“ der Zel­le sind die Ribo­so­men. For­scher des Max-Planck-Insti­tuts (MPI) für bio­phy­si­ka­li­sche Che­mie Göt­tin­gen, der Uni­ver­si­tät Göt­tin­gen und des For­schungs­zen­trums Jülich haben erst­mals mit ato­ma­rer Genau­ig­keit sicht­bar gemacht, wie das Ribo­som auf ein Signal hin zuver­läs­sig die kor­rek­te Ami­no­säu­re in Pro­te­ine einbaut.

Um Pro­te­ine her­zu­stel­len, erzeugt die Zel­le zunächst eine Arbeits­ko­pie des ent­spre­chen­den Gen-Abschnitts der DNA – die soge­nann­te Boten-RNA. Das Ribo­som pro­du­ziert dann genau nach die­ser Vor­la­ge eine Ket­te von ver­schie­de­nen Ami­no­säu­ren, die zusam­men ein neu­es Pro­te­in bil­den. Nach dem Schlüs­sel-Schloss-Prin­zip wird fort­lau­fend je einem Codon der Boten-RNA das pas­sen­de Gegen­stück eines Ami­no­säu­re­trans­por­ters (auch Trans­fer-RNA oder tRNA genannt) zuge­ord­net, der eine bestimm­te Ami­no­säu­re anlie­fert. Eine ent­schei­den­de Rol­le spielt dabei ein Ener­gie­spei­cher­mo­le­kül namens GTP. Wird es gespal­ten, ist das der Start­schuss dafür, eine Ami­no­säu­re in die Ket­te einzubauen.

Bis­lang war unbe­kannt, wie das Signal, dass der rich­ti­ge Ami­no­säu­re-Trans­por­ter am Ket­ten­en­de ange­dockt hat, im Ribo­som wei­ter­ge­lei­tet wird. Offen war auch die Fra­ge, wie das Signal an ande­rer Stel­le im Ribo­som bewirkt, dass GTP gespal­ten und damit die Ami­no­säu­re in das Pro­te­in ein­ge­baut wird.

Die betei­lig­ten Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler, zu denen auch Jun.-Prof. Gun­nar Schrö­der vom Jüli­cher Insti­tu­te of Com­plex Sys­tems gehört, konn­ten jetzt erst­mals offen­le­gen, wie der Mecha­nis­mus auf mole­ku­la­rer Ebe­ne arbei­tet. Sie nutz­ten dazu die Ami­no­säu­re Seleno­cys­tein. Die For­scher zeig­ten mit­hil­fe von Kryo-Elek­tro­nen­mi­kro­sko­pie und Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen, wie Seleno­cys­tein in einem ers­ten Schritt zusam­men mit einem Hel­fer­pro­te­in an das Ribo­som gelie­fert wird. Wenn dann die Ami­no­säu­re den kor­rek­ten Platz in der Ket­te gefun­den hat, ändert das Ribo­som in einer kon­trol­lier­ten Bewe­gung – die For­scher ver­gli­chen sie mit Tai Chi – sei­ne Struk­tur. Dadurch wird das Hel­fer­pro­te­in am Ribo­som so ver­scho­ben, dass es die Spal­tung des GTP aus­lö­sen kann. Das Ribo­som erhält damit das Signal, Seleno­cys­tein in die Ket­te von Ami­no­säu­ren und damit das neue Pro­te­in einzubauen.

Die Wis­sen­schaft­ler gehen nun davon aus, dass die Signal­wei­ter­lei­tung nicht nur bei Seleno­cys­tein so funk­tio­niert. Wei­te­re Expe­ri­men­te deu­ten dar­auf hin, dass es sich um einen uni­ver­sel­len Mecha­nis­mus han­delt, nach dem das Ribo­som Ami­no­säu­ren zu Pro­te­inen zusammensetzt.