Eine unerwartete Vielfalt von Transportmechanismen

Viele lebenswichtige Prozesse beruhen darauf, dass Stoffe gezielt durch die Zellmembran transportiert werden können, etwa beim Import von Nährstoffen, bei der Entsorgung von Giften oder auch bei Immunreaktionen. Dabei spielen sogenannte Membrantransporter eine wichtige Rolle, die für den Stoffaustausch aus und in die Zelle verantwortlich sind. Für den Transport müssen gezielt die Stoffe ausgewählt werden, die aktuell für die Zelle wichtig bzw. auch nützlich sind. Der LMU Biophysiker Professor Thorben Cordes hat mit seinem Team untersucht, wie bakteriellen ABC-Importsystemen diese Auswahl gelingt. Sie haben vielfältige Selektionsmechanismen identifiziert, die darauf beruhen, dass bestimmte Teile des Transporters unerwartet wandelbar sind. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin eLife.

Am Anfang des Transportvorgangs von bakteriellen ABC Importern steht immer ein Bindeprotein: Dieses bindet das zu transportierende Substrat und ändert dabei seine räumliche Struktur von einer offenen zu einer geschlossenen Konformation. In der substratgebundenen Form tritt das Bindeprotein in Kontakt mit dem eigentlichen Transporter und das Substrat wird durch die Membran transportiert. Man geht davon aus, dass diese Strukturänderung zur Transportselektivität beiträgt. „Es gab allerdings verschiedene Hinweise, dass bestimmte Moleküle gebunden, aber nicht transportiert werden können“, sagt Cordes. „Deshalb haben wir in einem spektroskopischen Verfahren untersucht, wie die Strukturänderung davon abhängt, welches Molekül gebunden wird, und ob die Substratselektivität bakterieller Transportsysteme damit zusammenhängt.“

Das eingesetzte Verfahren bildet nicht wie klassische strukturbiologische Techniken die gesamte dreidimensionale Struktur des Bindeproteins ab. Sondern es beruht darauf, dass abstandsabhängige Veränderungen der Fluoreszenzemission von Farbstoffen, die im Protein verankert wurden, erfasst werden. Dies hat den großen Vorteil, dass sowohl Strukturen als auch Bewegungen von Proteinen sichtbar gemacht werden. Zudem ermöglicht es eine sehr schnelle Untersuchung der Wechselwirkungen vieler Substrate mit den jeweiligen Proteinen. Mithilfe dieser Methode stellten die Wissenschaftler zu ihrer Überraschung fest, dass Bindeproteine unerwartet plastisch sind. „Eine einzige eindeutige geschlossene Konformation, die den Transport aktiviert, gibt es nicht“, sagt Cordes. „Stattdessen können Bindeproteine eine Reihe von aktivierenden beziehungsweise nicht-aktivierenden Konformationen einnehmen.“

In einigen Fällen erzeugen sowohl transportierte als auch nicht transportierte Moleküle ähnliche Konformationen. Dann spielen für die Transportselektivität auch noch andere Mechanismen als die Konformation des Bindeproteins eine Rolle. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass es eine unerwartet große Vielfalt an Selektionsmechanismen gibt“, sagt Cordes. „Wir hoffen daher, zu einem grundlegenden Verständnis der Mechanismen von ABC-Transportern beizutragen. Das könnte auch medizinisch interessant sein, denn die von uns untersuchten Bindeproteine kommen nur in Bakterien vor – auf Basis unserer Erkenntnisse könnten daher möglicherweise neue Wirkstoffe für Antibiotika entwickelt werden.eLife 2019

Weitere Informationen:Proteindynamik - Molekulare Maschinen in Aktion