Jede Zelle enthält Motorproteine, die wichtige Substanzen von einem Ort zum anderen transportieren. Biophysiker haben nun festgestellt, dass bei diesen zellulären „Kurieren“ eine Art Arbeitsteilung herrscht: Ein Protein sorgt für den Antrieb, das andere wirkt als Bremser. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) erschienen.
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Motorisierte Transportproteine sind einer der Schlüssel zur Entwicklung höherer Lebewesen. Erst durch diese Kinesine ist es der Zelle möglich, wichtige Substanzen gezielt und schnell an einen bestimmten Ort in der Zelle zu liefern. Wie kleine Lastwagen auf einer Autobahn transportieren die Kinesine zelluläre Materialien entlang von Proteinfasern, so genannten Mikrotubuli, die die gesamte Zelle durchziehen. Die Kinesine bestehen aus zwei langen, miteinander verdrillten Eiweißketten. Am einen Ende trägt jedes Protein einen Kopf, der an bestimmte Strukturen auf der Oberfläche der Mikrotubuli andocken kann, am anderen Ende wird die Fracht angehängt. In den Cilien des Fadenwurms Caenorhabditis elegans sind ganz besondere Kinesine am Werk: Sie bestehen aus zwei unterschiedlichen Eiweißketten und eignen sich daher für die Untersuchung der Transportmechanismen besonders gut.
Perlen als Fracht für Transportproteine
Biophysiker der Technischen Universität München (TUM) und der Ludwig Maximilians Universität München (LMU) konnten nun an ihnen grundlegende Funktionen der zellulären Motoren aufklären. Dazu hängten die Forscher als Fracht kleine Kunststoffperlen an die Enden der Kinesine. Mit einer “optischen Pinzette”, einem speziell profilierten Laserstrahl, können sie diese Perlen manipulieren.
Ein Ende des Proteinmoleküls fixierten sie mit der optischen Pinzette, das andere konnte auf Mikrotubuli laufen. Auf diese Weise maßen die Wissenschaftler die Kraft, mit der das Motorprotein ziehen kann. In winzigen, acht Nanometer großen Schritten läuft das Kinesin-2 in dieser Versuchsanordnung mit seiner Fracht bis zu 1.500 Nanometer weit. „Wenn wir es nicht festhalten würden, käme es vermutlich noch sehr viel weiter,“ sagt Zeynep Ökten, vom Institut für Zellbiologie der LMU. Das untersuchte Kinesin-2 besteht aus einem KLP11- und einem KLP20-Protein.
Ein Protein als Bremse, das andere als „Antrieb“
Indem sie die Köpfe der Ketten austauschten, konnten die Forscher zeigen, dass es sich bei KLP11, um ein nicht laufendes Motorprotein handelt. Erst in der Kombination mit dem KLP20 wird daraus ein Transportprotein. Bei weiteren Versuchen konnten sie klären, warum die Natur diese ungewöhnliche Kombination wählt: KLP20-Proteine haben keine „Bremse“. Ein Transportprotein aus zwei KLP20-Einheiten würde permanent laufen und Energie verbrauchen. DasKLP11 bringt dagegen einen Autoinhibierung genannten Mechanismus mit, der dafür sorgt, dass das Transportprotein still steht, wenn keine Fracht angebunden ist.
Zelluläre Motoren müssen „multifunktional“ sein
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass ein molekularer Motor, will er in einer Zelle erfolgreich arbeiten, über den einfachen Transport hinaus eine Vielzahl an Funktionen übernehmen muss,“ erklärt Matthias Rief, Professor für Physik an der TU München. Der Motor muss an- und abschaltbar sein, er muss zielgerichtet eine Last aufnehmen und diese am Ziel abgeben können. „Es ist beeindruckend wie die Natur es schafft, all diese Funktionen in einem Molekül zu vereinen. Hier ist sie allen Anstrengungen der modernen Nanotechnologie noch weit überlegen und dient uns allen als großes Vorbild.“
(Technische Universität München, 21.05.2010 – NPO)
