Tief in die Zelle geblickt

Forschern ist es gelungen, Bakterien bei der Proteinsynthese in der Zelle zu beobachten.

Wissenschaftlern der TU Berlin und des European Molecular Biology Laboratory (EMBL) Heidelberg mit Unterstützung aus der Universität Göttingen und dem Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen, ist es jetzt gelungen, das Expressom, eine Art molekulare Maschine in Bakterien, die für die Proteinproduktion zuständig ist, erstmals in lebenden Zellen eines Bakteriums zu beobachten.

Das Besondere dabei: Sie konnten sämtliche Schritte – von der DNA bis zum fertigen Protein – im Expressom beobachten. Um die Struktur bis ins Detail aufzuklären, kombinierten die Wissenschaftler die Crosslinking-Massenspektrometrie, bei der Informationen über die Zusammensetzung und relative räumliche Orientierung von Proteinkomplexen gesammelt werden, mit der hochauflösenden Kryo-Elektronentomographie.

Proteine sind wichtige Bausteine des Lebens und der aktive Bestandteil nahezu aller zellulären Prozesse. Alle Zellen stellen daher Proteine selbst her. Dazu verwenden sie die in der DNA hinterlegte Erbinformation als Bauanleitung. Die DNA wird dabei nicht direkt abgelesen, sondern erst durch einen Proteinkomplex, die RNA Polymerase, abgeschrieben. Die dabei entstehende Boten-RNA wird dann durch das Ribosom in Proteine übersetzt.

Proteinkomplex bis ins Detail sichtbar gemacht

Diese Prozesse der Transkription und Translation laufen in menschlichen Zellen in räumlich getrennten Kompartimenten ab. In einfachen Organismen hingegen, wie zum Beispiel Bakterien, finden sie in direkter räumlicher Nähe statt.

In der Vergangenheit vermutete die Wissenschaft bereits, dass es hierbei möglicherweise zur Bildung eines Mega-Komplexes, des Expressoms, kommt, welcher sich aus der RNA Polymerase und dem Ribosom zusammensetzt. Um diese These nachzuweisen, standen die Wissenschaftler allerdings vor einem Problem: Betrachteten sie die komplette Zelle, reichte die räumliche Auflösung nicht, um einen schlüssigen Beweis für die Kopplung zu erbringen. Um die einzelnen Komponenten zu analysieren, mussten wiederum die zellulären Strukturen zerstört werden, wobei unweigerlich auch die sensiblen Proteinkomplexe zerfielen.

Rund 90.000 Mal schmaler als ein menschliches Haar

Das Team unter der Leitung von Prof. Juri Rappsilber, Leiter des Fachgebiets Bioanalytik an der TU Berlin, und Dr. Julia Mahamid (EMBL) konnte jetzt genau dieses Expressom mit einer extrem hohen Auflösung von weniger als einem Nanometer in einer lebenden Zelle beobachten und analysieren. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa 90.000 Nanometer breit. Dazu kombinierten die Teams die an der TU Berlin entwickelte Crosslinking-Massenspektrometrie, die die Zusammensetzung und räumliche Orientierung von Proteinkomplexen aufklärt, und die hochauflösende Kryo-Elektronentomographie, ein spezielles bildgebendes Verfahren für molekulare Strukturen. Beide Technologien wurden derart verwendet, dass das untersuchte Bakterium – der menschliche Lungenparasit Mycoplasma pneumoniae – intakt belassen wurde, um so nah an einem lebenden System wie möglich zu forschen.

Ein neuer Blick in die Zelle

Überraschend fanden die Forschenden dabei heraus, dass es sich bei dem Bindeglied zwischen der RNA-Polymerase und dem Ribosom nicht um den bislang vermuteten Kandidaten handelt, sondern um das Protein NusA. Mit dieser Erkenntnis eröffnen sich nicht zuletzt auch neue Ansatzpunkte für die Entwicklung von Antibiotika gegen bakterielle Erreger.

„Die Studie enthüllt damit nicht nur die Organisation zweier Proteinkomplexe mit zentraler Bedeutung für das bakterielle Leben, sondern ist auch ein weiterer wichtiger Schritt im jungen wissenschaftlichen Feld der in situ Strukturbiologie“, so Rappsilber. „Nach diesem technologischen Durchbruch steht zu erwarten, dass weitere zelluläre Prozesse in Bakterien, aber auch in menschlichen Zellen in naher Zukunft mit hoher Auflösung aufgeklärt werden können. Dies wird unser Verständnis für die molekularen Grundlagen des Lebens verbessern und vielfältige Ansatzpunkte für Therapien aufzeigen.“