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28.06.2022

04.02.2022

Elektronenmikroskopische Untersuchung der molekularen Struktur der Atmungskette

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Sauerstoff und Zucker sind die Lebensgrundlage für Tiere, Pflanzen, Pilze und viele Bakterien. Der Stoffwechselvorgang namens Atmung macht es möglich, Nahrung in Energie für die Zellen umzuwandeln.

Die Biochemikerin Prof. Dr. Carola Hunte und ihr Team des Exzellenzclusters CIBSS von der Universität Freiburg haben nun zum ersten Mal mit einer einmaligen Präzision visualisiert, wie ein Zusammenschluss von Proteinmaschinen, der auch dem Menschen Energie liefert, aufgebaut ist und funktioniert. Das Team untersuchte zwei zu einem Superkomplex verschmolzene Atmungskettenkomplexe in einer Gruppe von Bakterien, den Actinobacteria.

Zusätzlich zur grundlegenden Aufklärung der Atmungsvorgänge, könnten die Analyse von Aufnahmen aus dem Kryoelektronenmikroskop die Entwicklung neuer Medikamente gegen Tuberkulose oder Diphterie unterstützen. "Diese Aufnahmen sind wie ein Ausflug in unser molekulares Innenleben und seine besonderen Regeln", erklärt Hunte, "Die Aufklärung der Struktur beleuchtet gleichzeitig die Funktionsweise des Superkomplexes."

Die Ergebnisse der Studie sind im Fachmagazin Nature Communications erschienen und entstanden in Zusammenarbeit mit Dr. Bruno Klaholz, Forschungsdirektor am Centre for Integrative Biology (CBI) / Institute of Genetics and of Molecular and Cellular Biology (IGBMC) des CNRS, Inserm und der Universität Strasbourg/Frankreich.

Die Energiewährung der Zelle

Adenosintriphosphat (ATP) ist die Energiewährung der Zelle - das Molekül entsteht während der Atmung und überträgt Energie aus der Nahrung an alle Prozesse in der Zelle. Dank der Vorgänge an der Atmungskette entsteht aus Adenosindiphosphat das energiereiche ATP. Dafür bauen Proteinkomplexe der Atmungskette mit Elektronen und Protonen in einem komplizierten chemisch-physikalischen Vorgang eine elektrochemische Triebkraft über eine Membran auf, die von der Verbrennung von Zucker betrieben wird.

"Wir haben den Cytochrom bcc-aa3 Superkomplex analysiert. 26 Proteine bilden die Proteinmaschine. Das genaue Zusammenwirken der molekularen Kräfte und die Dynamik ist bisher noch nicht ausreichend verstanden und dabei hilft uns eine solche Detailbeschreibung", erklärt der Erstautor der Studie Dr. Wei-Chun Kao aus Huntes Team.

Die Protonenpumpe des Komplexes ist dem Menschen sehr ähnlich, finden die Forschenden, der Teil, in dem Elektronen vom Elektronenüberträger Chinon übernommen werden weist aber deutliche Unterschiede im Bakterium auf. "Hier könnte man Anknüpfen und spezifische Wirkstoffe entwickeln, die pathogene Actinobakterien wie Mycobacterium tuberculosis oder Corynebacterium diphtheriae töten, in dem sie die Atmungskette stören", schlussfolgert Hunte.

Tiefkühlmikroskop mit atomarer Auflösung

Die Kryolelektronenmikroskopie (Cryo-EM) ist eine Technik, die Proben bei tiefen Temperaturen von -183 Celsius in einem hochauflösenden Mikroskop untersucht und Strukturen bis auf die Ebene einzelner Atome auflösen kann. Dabei werden die gesammelten Daten mit Maschine Learning Algorithmen noch verfeinert.

"Mit diesen Daten können wir auch die Verzahnung von Stoffwechsel und Signalvermittlung besser verstehen, das ist ein besonderer Fokus im Exzellenzcluster CIBSS", betont Hunte. Sie gehört zum Sprecherteam von CIBSS, in dem integrative Ansätze für die biologische Signalforschung entwickelt werden. Die Cryo-EM Messungen fanden am CBI/IGBMC in Strasbourg/Illkirch statt. Das Freiburg Research Collaboration Programme vom FRIAS - Freiburg Institut of Advanced Studies förderte diese internationale Zusammenarbeit.

Über den Exzellenzcluster CIBSS

Der Exzellenzcluster CIBSS - Centre for Integrative Biological Signalling Studies hat das Ziel, ein umfassendes Verständnis von biologischen Signalvorgängen über Skalen hinweg zu gewinnen - von den Wechselwirkungen einzelner Moleküle und Zellen bis hin zu den Prozessen in Organen und ganzen Organismen. Mit dem gewonnenen Wissen lassen sich Signale gezielt kontrollieren und dies wiederum ermöglicht den Forschenden nicht nur Erkenntnisse in der Forschung, sondern auch Innovationen in der Medizin und den Pflanzenwissenschaften.

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Quelle: Universität Freiburg