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Können Reaktionen in kondensierten Biomaterialien beschleunigt werden?

Forschungsprojekt “RNA Epicatalysis” wird mit “Experiment!”-Stipendium der Volkswagen Stiftung gefördert

21.06.2018

Artistic impression, picture: Ina Poehner, Kashif Sadiq

Proteine rund um ein RNA-Partikel in der Zelle, im Hintergrund andere RNA-Partikel.

HITS-Wissenschaftler Dr. Kashif Sadiq erforscht Ribonucleoprotein-Partikel, eine verdichtete Form biologischen Materials in Zellen. Er untersucht, ob die Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen in diesen membranlosen Partikeln beschleunigt ist. Falls ja, könnte die Forschung neue Erkenntnisse darüber gewinnen, wie biochemische Prozesse in Zellen reguliert werden, und Aufschluss über die Ursprünge des Lebens auf der Erde geben. Das Projekt wird durch ein “Experiment”-Stipendium der Volkswagen Stiftung gefördert.

Zellen werden als Grundeinheit des Lebens betrachtet. Jede einzelne Zelle ist eine dynamische kleine Welt mit Milliarden von Molekülen, die an komplexen biochemischen Reaktionen beteiligt sind. Zellen kontrollieren viele dieser Reaktionen, indem sie die jeweils benötigten Moleküle in von Membranen umhüllte Untereinheiten separieren. Geraten Zellen unter Stress, etwa durch extreme Temperaturen, mechanische Beschädigung oder giftige Substanzen, können sie erstaunlicherweise auch vergleichbare Einheiten ohne Membran bilden. Solche Partikel enthalten oft dicht gepackte, sich selbst-organisierende Mischungen aus Proteinen und langen Biopolymeren wie Ribonucleinsäuren (RNA), die zusammen auch als Ribonucleoproteine (RNP) bezeichnet werden.

Spannenderweise können die Partikel dabei zeitgleich in verschiedenen Zuständen existieren: flüssig, als Gel, fest oder sogar irgendwo dazwischen. Ihre Funktion ist jedoch noch immer größtenteils unbekannt. Dr. Kashif Sadiq vom Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) wird deshalb die biophysikalischen Eigenschaften solcher membranloser Partikel unter Verwendung von Theorie und Computersimulationen untersuchen. Sein unabhängiges Forschungsprojekt “RNA Epicatalysis” hat kürzlich begonnen und wird für 18 Monate mit einem “Experiment!”-Stipendium der Volkswagen Stiftung gefördert.

Infragestellung gängiger Paradigmen der Molekularbiologie

Dr. Sadiq geht in dem Projekt der Frage nach, ob die Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen in solchen Partikeln beschleunigt wird. Er will herausfinden, welche Faktoren die Eigenschaften der Partikel beeinflussen und regulieren. Ist die RNA lediglich Teil des Biomaterials oder aktive, treibende Kraft in diesem Prozess? Welche physikalischen Prinzipien stützen eine beschleunigte Katalyse, sofern diese vorliegt? Können bestimmte makromolekulare Anordnungen die Diffusion in solchen Biomaterialien erleichtern? All diese Fragen konnten bislang nicht beantwortet werden.

“In der konventionellen Enzymforschung würde diese These schnell als nicht haltbar verworfen, da die Diffusion von Enzymen und ihren Substraten in dicht gepackten Biopolymeren meist verlangsamt ist”, betont Sadiq. “Sollte es jedoch zutreffen, dass die Bildung solcher Partikel Reaktionen sogar beschleunigen kann, so würde dies einige Paradigmen der Molekularbiologie in Frage stellen. Es würde bedeuten, dass es zusätzlich zu der bekannten enzymatischen Regulierung in Zellen noch eine weitere, übergeordnete Form der Katalyse gibt.”

Neue Erkenntnisse über den Ursprung des Lebens?

Sadiqs Forschung wird dabei auch einigen fundamentalen Fragestellungen über den Ursprung des Lebens auf der Erde auf den Grund gehen: Waren die ersten selbst-replizierenden Biomoleküle vor Milliarden von Jahren in der Lage, sich eigenständig in getrennte Einheiten zu organisieren, in denen die Effizienz der biochemischen Reaktionen, die für ihr Überleben notwendig waren, gesteigert werden konnte? Lagen diesem Phänomen lediglich die physikalischen Gesetze der Phasentrennung zu Grunde, die beschleunigte Katalyse ermöglichten, lange bevor sich die ersten von einer Membran umhüllten Vorläufer der Einzeller, die Protobionten, entwickelten?

Die im November 2012 initiierte Förderinitiative “Experiment!” der Volkswagen Stiftung richtet sich an Forscher, die radikal neue, aber auch riskante Forschungsideen austesten möchten. Ein Fehlschlagen des Konzeptes ist daher ebenso ein akzeptables Ergebnis wie das Erbringen neuer, unerwarteter Erkenntnisse.

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