Wie kommt der Zucker in die Zelle?

Foto: Struktur des ChbC-Dimers in der Zellmembran

Die Struktur des ChbC-Dimers in der
Zellmembran (graue Fläche);
© Columbia University

Im Rahmen einer Kooperation ist es Wissenschaftlern der Columbia Universität gelungen, die dreidimensionale Struktur des bakteriellen Membranproteins ChbC mittels Kristallstrukturanalyse zu bestimmen. Die Proteinfamilie, zu der ChbC gehört, ist essenziell für den Transport spezifischer Zucker in die Zelle und stellt damit einen wesentlichen Faktor für das Überleben des Bakteriums dar. Wie diese Proteine jedoch den Zucker in die Zelle schleusen, war bisher nicht bekannt.

Im besonderen Fokus der Wissenschaftler stehen Membranproteine. „Jedes vierte Protein ist ein Membranprotein und doch kennen wir nur von etwa fünf Prozent von ihnen die Struktur. Hier stehen wir noch vor einer großen Herausforderung“, so Burkard Rost. Da die experimentelle Analyse eines Membranproteins mehrere Jahre dauern kann, kommt der Auswahl vielversprechender Kandidaten für die aufwendige Analyse eine große Bedeutung zu. Der Pool interessanter Sequenzen ist groß. Über 300.000 Proteinsequenzen aus den Genomen von 96 Organismen standen zur Auswahl. Nur ein Bruchteil dieser Sequenzen kann jedoch experimentell analysiert werden.

Gemeinsam mit anderen Bioinformatikern identifizierte Burkhard Rost, TU München, ChbC als lohnendes Ziel. Ausgangspunkt der Wissenschaftler ist eine bioinformatische Methode aus dem Gebiet der „Strukturgenomik“. Die grundlegende Annahme ist, dass Proteine mit gemeinsamen evolutionären Vorfahren, sogenannte „Proteinfamilien“, sich sowohl in ihren Aminosäuresequenzen als auch in ihrer dreidimensionalen Struktur gleichen. Ist die Struktur eines dieser verwandten Proteine durch Experimente bekannt, lassen sich auch die restlichen vorhersagen.

Um ein geeignetes Protein zu finden, entwickelten die Forscher einen gängigen bioinformatischen Ansatz weiter. Statt wie üblicherweise alle Proteine in einer genomübergreifenden Karte anzuordnen und dann eine Auswahl zu treffen, bauten sie die Proteinfamilien jeweils um eine einzelne Sequenz herum auf.

Als Zielproteine filterten die Wissenschaftler schrittweise die Proteine heraus, die Eigenschaften von Membranproteinen aufwiesen. Dann erweiterten sie diese zu Proteinfamilien und wählten diejenigen Sequenzen, die für die Experimente besonders geeignet waren. All das virtuell und ohne Experimente. Im Fall von ChbC blieben letztlich 25 Sequenzen aus 13 Organismen übrig.

Die neu aufgeklärte Struktur von ChbC hilft den Wissenschaftler nun, einen in Bakterien wichtigen Weg des Zuckertransports in die Zelle besser zu verstehen: das „Phosphotransferasesystem“ (PTS). Bei diesem Transportweg wird das Zuckermolekül während des Transports mit einem Phosphatrest modifiziert. Diese Modifizierung ist der erste Schritt für die spätere Energiegewinnung aus dem Zucker. Phosphotransferasesysteme kommen in sehr vielen Bakterienarten vor und beeinflussen eine Vielzahl an zellulären Stoffwechselwegen. Sie sind daher ein gutes potenzielles Angriffsziel für Antibiotika.


MEDICA.de; Quelle: Technische Universität München