19.08.2025
5D-Kristallographie-Methode erfasst Proteindynamik bei physiologischen Temperaturen
Ein interdisziplinäres Forschungsteam aus Hamburg hat eine neuartige Methode entwickelt, die zeitaufgelöste Strukturuntersuchungen von Proteinen über einen weiten Temperaturbereich hinweg ermöglicht, einschließlich physiologisch relevanter Bedingungen.
Der neue Ansatz, der als "5D-Serien-Synchrotronkristallographie (5D-SSX)" bezeichnet wird, ermöglicht die Erfassung temperaturaufgelöster Strukturschnappschüsse während enzymatischer Reaktionen und liefert Einblicke in die Proteinfunktion unter nahezu nativen Bedingungen. Die Arbeit wurde in Nature Communications veröffentlicht.
Die Temperatur spielt eine wichtige Rolle bei der Modulation der Enzymaktivität und der Proteindynamik. Dennoch werden die meisten hochauflösenden Proteinstrukturen immer noch bei kryogenen Temperaturen ermittelt, die weit von den physiologischen Bedingungen entfernt sind.
Die zeitaufgelöste Kristallographie, mit der sich die strukturellen Grundlagen der Katalyse, Allosterie und Ligandenbindung aufdecken lassen, wird in der Regel bei Umgebungstemperaturen durchgeführt, wodurch Konformationszustände übersehen werden können, die bei physiologischen Temperaturen sichtbar werden.
Das Team - bestehend aus Wissenschaftler der Universität Hamburg (UHH), des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf (UKE), des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) und des Europäischen Molekularbiologischen Laboratoriums (EMBL) Hamburg - hat nun einen Arbeitsablauf entwickelt, um diese Einschränkungen zu überwinden. Mit ihrer 5D-SSX-Methode können Forscher serielle Synchrotronkristallographie zu definierten Zeitpunkten und bei Temperaturen von unter 10 °C bis über 70 °C durchführen.
In Proof-of-Concept-Experimenten zeigte das Team einen temperaturabhängigen enzymatischen Umsatz sowohl beim mesophilen β-Lactamase CTX-M-14 als auch beim thermophilen Enzym Xylose-Isomerase. Die Methode zeigt, wie die Reaktionskinetik und die Konformationslandschaften durch die Temperatur moduliert werden, und ermöglicht es den Forschern, Enzymmechanismen unter biologisch relevanten Bedingungen zu untersuchen.
"Die größte Herausforderung bei diesem Projekt bestand darin, die große Menge an Wasserdampfkondensat so zu bewältigen, dass es nicht in die empfindliche Synchrotron-Endstation direkt darunter gelangen konnte", sagt Friedjof Tellkamp, Leiter der Zentralen Wissenschaftlichen Einheit Maschinenphysik am MPSD, der die Entwicklung der Umgebungskammer leitete.
Dr. Eike C. Schulz, Leiter einer vom BMFTR und ERC finanzierten Forschungsgruppe am UKE, fügt hinzu: "5D-SSX eröffnet völlig neue Perspektiven für die biomedizinische Forschung. Das Verständnis der Dynamik von Proteinen unter realistischen Bedingungen ist von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei der Entwicklung von Antibiotika oder der Aufklärung krankheitsrelevanter Mechanismen."
Die Studie zeigt, dass die Integration von Zeit und Temperatur in kristallographische Arbeitsabläufe einen vollständigeren und physiologisch aussagekräftigeren Einblick in die Proteinfunktion ermöglicht - Momentaufnahme für Momentaufnahme.
Quelle: Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD)