25.03.2022 - Universitat de Barcelona

Neue Fortschritte in der Thermodynamik des Proteinfaltungsprozesses

Optische Pinzetten sollen die Komplexität lebender Materie entschlüsseln

In der Biophysik spielen die kinetischen Zustände von Molekülen eine entscheidende Rolle bei den metabolischen und physiologischen Prozessen, an denen sie beteiligt sind. In einer in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlichten Arbeit werden nun erstmals die Energieniveaus, die Entropie und die Enthalpie der Proteinfaltung spezifiziert. Dazu verwendete das Team ein Gerät mit optischer Pinzette, das es ermöglicht, die Versuchstemperatur zwischen 5ºC und 40ºC zu ändern.

Die Studie wurde von Professor Fèlix Ritort von der Fakultät für Physik und dem Institut für Nanowissenschaften und Nanotechnologie der Universität Barcelona (IN2UB) geleitet. Der Erstautor ist der Forscher Marc Rico-Pasto (UB). An der Studie haben Teams der Universität Padua (Italien), des Instituts für Bioengineering in Lausanne (Schweiz) und des Unternehmens SpliceBio, das seinen Sitz im Barcelona Science Park (PCB) hat, mitgearbeitet.

Optische Pinzetten, um die Komplexität der lebenden Materie zu entschlüsseln

Das Aufkommen innovativer Techniken wie optischer und magnetischer Pinzetten hat die Forschung in der Biophysik revolutioniert, insbesondere die Untersuchung der thermodynamischen Eigenschaften von Makromolekülen: Proteine, Nukleinsäuren usw. Diese Art von Technologie ermöglicht die Manipulation einzelner Moleküle mit einer Präzision im Nanometerbereich (10-9 Meter) unter Anwendung von Kräften im Piconewton-Bereich (10-12 Newton). Daher können die Forscher die thermodynamischen Eigenschaften komplexer Biomoleküle mit einer noch nie dagewesenen Auflösung charakterisieren. Die Anwendung solcher Techniken bietet neue Szenarien für experimentelle Studien auf dem Gebiet der Thermodynamik aus einem statistischen Ansatz heraus, eine Interpretation der Thermodynamik, die bisher nur aus theoretischer Sicht möglich war.

Diese Techniken haben jedoch Grenzen, die die Forscher daran hindern, den Ursprung der gemessenen Kräfte zu differenzieren. Eine Herausforderung in der Biophysik ist derzeit die Kombination verschiedener Techniken, um die Zahl der Kontrollparameter zu erweitern. Genau das hat das Team, das für diese Studie verantwortlich ist, getan: Es hat einen Temperaturmonitor in die optische Pinzette eingebaut, um zum ersten Mal die Entropie und die Enthalpie der Proteinfaltung zu bestimmen.

Energielandschaften bei der Proteinfaltung

Während des Faltungsprozesses von Proteinen und anderen Makromolekülen finden verschiedene kinetische Zustände zwischen dem nativen Zustand und dem denaturierten Zustand statt. Beispiele dafür sind Übergangszustände, molekulare Zwischenstufen und fehlgefaltete Strukturen, die einen flüchtigen Charakter haben, der die thermodynamische Charakterisierung in Experimenten mit einer großen Anzahl von Molekülen - ab der Ordnung von 1023 Molekülen, dem als Avogadro-Zahl bekannten Wert -, die gleichzeitig analysiert werden, erschwert. Besonders relevant für die Proteinfaltung sind Übergangszustände aufgrund ihrer extrem kurzen Lebensdauer.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass während des Übergangszustands die Proteinskelettstruktur bereits aufgebaut ist. Die meisten van-der-Waals-Wechselwirkungen - schwache Kräfte - zwischen den Resten sind jedoch nicht stabilisiert", bemerkt Professor Fèlix Ritort, Mitglied der Abteilung für Physik der kondensierten Materie der UB.

"Die Schlussfolgerungen zeigen, dass die Proteinfaltung als ein Prozess verstanden werden kann, der aus zwei Schritten besteht. Im ersten Schritt erreicht das Protein den Übergangszustand, in dem die native Skelettstruktur aufgebaut wird und Wasser aus dem Inneren der Polypeptidkette verdrängt wird", so Ritort weiter. "Im zweiten Schritt kollabiert das Protein, die Wechselwirkungen zwischen den Proteinresten werden stabilisiert, und das Protein erreicht den nativen Zustand", so der Forscher abschließend.

Eine erste Lektüre der Ergebnisse zeigt, dass während des Übergangszustands eine Änderung der Enthalpie und der Entropie auftritt, die etwa 20 % der bei der Faltung gemessenen Gesamtmenge entspricht. "Dieses Phänomen zeigt, dass die Skelettstruktur des Proteins 20 % der Wechselwirkungen zwischen den Resten erfordert. Das, was wir aus der Proteinfaltung ablesen, stimmt mit den jüngsten Hypothesen auf dem Gebiet der Proteinfaltung überein", erklärt Marc Rico-Pasto, ebenfalls Mitglied der Abteilung für Physik der kondensierten Materie.

Trotz der Feststellung, dass die Proteinskelettstruktur während des Übergangszustands aufgebaut wird, sagen die Autoren, dass sie nicht auf die Menge der nativen Wechselwirkungen schließen können, die in diesem Zustand bestehen. Wir können eine erste Schätzung vornehmen", sagen sie, "aber die Quantifizierung dieses Ergebnisses erfordert eine experimentelle Variable, die es uns ermöglicht, die Anzahl der während der molekularen Faltung gebildeten Bindungen in Echtzeit zu messen oder zu identifizieren".

Das Team unter der Leitung von Professor Fèlix Ritort, Leiter des Labors für kleine Biosysteme der Fakultät für Physik, hat wichtige Beiträge zur Untersuchung der thermodynamischen Eigenschaften komplexer Systeme in Biomolekülen geleistet. In früheren Studien verwendete das Team das Modell des Barnase-Proteins - eines kugelförmigen Biomoleküls, das von Bacillus amyloliquefacienssezerniert wird -das durch einen Übergangszustand getrennt ist. Die Barnase, die während der Faltung keine Zwischenzustände mit einer Lebensdauer von mehr als einer Millisekunde aufweist, ist auch das Referenzmodell für die Methode zur Charakterisierung von Übergangszuständen während des Proteinfaltungsprozesses (Phi-Wert-Analyse).

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