Protein als Tasche für Uran

Uran ist nicht nur radioaktiv, sondern auch hochgiftig. Jetzt haben Chemiker ein Protein konstruiert, dass gezielt an die normalerweise in der Umwelt vorliegende Uranverbindung bindet. Wie in einer Tasche ist das Schwermetall so isoliert und kann mithilfe dieser biologischen Dekomtamination unschädlich gemacht werden.

Die Verwendung von Uran als nuklearer Brennstoff und Waffenmaterial erhöht das Risiko, dass Menschen damit in Kontakt kommen. Die Lagerung radioaktiver Uranabfälle stellt ein zusätzliches Umweltrisiko dar. Bei einer Berührung mit Uran ist dessen Radioaktivität aber nicht das einzige Problem: Für die menschliche Gesundheit ist die Toxizität dieses Metalls im Allgemeinen noch gefährlicher. Die Forschung sucht noch nach einfachen, effektiven Methoden für eine sensitive Detektion und eine wirkungsvolle Therapie bei Uranvergiftungen.

Wissenschaftler um Chuan He von der University of Chicago und dem Argonne National Laboratory (USA) haben nun ein Protein entwickelt, das Uran selektiv und stark bindet. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, basiert es auf einem bakteriellen nickelbindenden Protein.

Gesucht: Passende Tasche fürs Uranyl

Uran liegt in sauerstoffhaltiger, wässriger Umgebung normalerweise als Uranyl-Kation vor (UO22+), ein lineares Molekül aus einem Uranatom und zwei endständigen Sauerstoffatomen. Das Uranylion geht zusätzlich gern Komplexbindungen ein. Bevorzugt umgibt es sich mit bis zu sechs Liganden, die sich in einer Ebene um seinen „Äquator“ anordnen. Der Ansatz des Forscherteams bestand nun darin, ein Protein zu entwerfen, das dem Uranyl eine Bindungstasche bietet, in der es in der bevorzugten Weise von Seitengruppen des Proteins als Liganden umfangen wird.

Als Vorlage diente den Wissenschaftlern das Protein NikR (nickel responsive repressor) aus dem Bakterium Escherischia coli, ein auf Nickelionen reagierender Regulator. Wenn NikR mit Nickelionen beladen ist, bindet es an eine spezielle DNA-Sequenz. Dadurch wird die Ablesung der benachbarten Gene unterbunden, die für Proteine kodieren, die an der Nickelaufnahme beteiligt sind. Ist kein Nickel in der Coli-Bakterie vorhanden, bindet NikR nicht an die DNA.

Mutation macht aus Nickeltasche Uranyl-Tasche

Das Nickelion befindet sich in einer Bindungstasche, in der es in einer quadratisch-planaren Anordnung von bindenden Gruppen des Proteins umgeben ist. Mit einigen Mutationsschritten entwickelten die Forscher daraus ein Protein, das statt Nickel Uranyl in die Zange nehmen kann. Nur drei Aminosäuren mussten dazu verändert werden. Das Uranyl wird in der speziell konstruierten Bindungstasche nun von sechs Bindungspartnern umfangen, die das Uranylion äquatorial umgeben. Außerdem bietet die Tasche Platz für die beiden Sauerstoffatome des Uranyl.

Diese NikR-Mutante bindet nur in Gegenwart von Uranyl an die DNA, nicht aber in Anwesenheit von Nickel oder anderen Metallionen, was seine Selektivität für Uranyl beweist. Das Konzept könnte für eine Detektion von Uranyl und für eine biologische Dekontaminierung nuklearer Abfälle genutzt werden. Es ist ein erster Schritt zur Entwicklung protein- oder peptidbasierter Wirkstoffe zur Behandlung von Uranvergiftungen.

(Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V., 13.02.2009 – NPO)