Dieses Bild zeigt Spaghetti als Biomaterial

Forschung Erleben

Der Spaghetti-Effekt

Biophysiker folgen Proteinen auf ihrem Weg durch die Zellmembran
[Foto: Stock/Melica]

Haben Spaghetti etwas mit Biophysik zu tun? Auf den ersten Blick nicht. Aber wenn Prof. Stephan Nußberger von der Universität Stuttgart seine hochkomplexe Forschung erklärt, wird Pasta zum sehr anschaulichen didaktischen Mittel. Ein Blick in die geheimnisvolle Welt der Organellen und Proteine.

Prof. Stephan Nußberger gehört zu den leidenschaftlichen Wissenschaftlern. Der Leiter der Abteilung Biophysik am Institut für Biomaterialien und biomolekulare Systeme der Universität Stuttgart untersucht natürliche Prozesse in einer Dimension, die dem Laien zunächst unzugänglich erscheint. Weil Nußberger aber durchaus mitreißend erzählt und erklärt, verlässt man sein Büro nach ein paar Stunden mit dem Gefühl, in einen faszinierenden Kosmos geblickt zu haben. Um Protein-Translokasen geht es, also um bestimmte Proteine, die den Durchtritt von Molekülketten durch
Zellwände erlauben.

Ihre Forschungen rund um die Protein-Translokasen führen die Wissenschaftler in für Laien unvorstellbare Dimensionen. (c) Universität Stuttgart/Max Kovalenko
Ihre Forschungen rund um die Protein-Translokasen führen die Wissenschaftler in für Laien unvorstellbare Dimensionen.

Und das ist unerlässlich: Denn dass etwa Eiweiße zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Anzahl in die Mitochondrien, also die „Kraftwerke“ in allen Zellen des menschlichen Körpers, gelangen, ist eines der Prinzipien des funktionierenden Organismus. In die Mitochondrien des Menschen müssen allein mehr als 1.400 verschiedene Proteinpolymere durch diese Poren gefädelt werden. Eine Störung dieses unaufhörlichen Übertritts führt zu gravierenden Erkrankungen. Das freilich ist gründlich gesichertes Wissen. Der amerikanische Biochemiker Günter Blobel hat 1999 den Nobelpreis für Medizin für die Erkenntnis erhalten, dass jedes Organell einer Zelle Poren
sowie spezifische Rezeptoren benötigt, um Proteine durchfädeln zu können. Und auch, dass es Proteinen unzählige Male in jedem Moment des Lebens gelingt, Zellmembranen zu durchdringen, ist klar. Nur wie?

Darstellung von Proteinen in Bewegung (c) Universität Stuttgart/Max Kovalenko
Darstellung von Proteinen in Bewegung

Das Wissenschaftsmagazin „Nature“ habe den Vorgang einmal als „The Art of Sucking Spaghetti“ beschrieben, serviert Prof. Nußberger ein sehr griffiges Bild. Lange, soßentriefende Nudeln genüsslich in den Mund zu saugen, ist ein Prinzip, das zumindest Pasta-Freunde sofort vor Augen haben. Wer oder was zieht aber an den Proteinketten? „Wie die Natur das macht, ist noch nicht verstanden“, sagt der Biophysiker und fügt hinzu: „Aber deshalb bin ich hier, es ist für mich als Physiker der wissenschaftliche Reiz, das herauszufinden.“

Abtauchen in unvorstellbare Dimensionen

Um einzuordnen, warum es so schwierig ist, Moleküle oder Polymere beim Durchschlüpfen einer Zellwand zu beobachten, zieht Nußberger einen weiteren Vergleich heran. Die Sonne, sagt er, sei etwa 150 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Eine ähnlich gewaltige Distanz müsse man sich vorstellen, um in den Größenbereich weniger Atome vorzudringen, denn in dieser Dimension spielen sich die Aktivitäten der Protein-Translokasen ab. Selbst mit den enorm leistungsfähigen Mikroskopen, die den Biophysikern in Nußbergers Abteilung zur Verfügung stehen, ist es nur sehr schwer möglich, Proteine in Bewegung zu beobachten, so, wie man etwa einen Regenwurm beim Einbohren in die Erde betrachtet. Den Stuttgarter Forschern ist aber etwas anderes gelungen, das Prof. Nußberger in Kooperation mit Prof. Werner Kühlbrandt vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt/Main in einem vielbeachteten Artikel im renommierten Fachjournal „Cell“ dargelegt hat. 

Prof. Nussberger und ein Forschungsmitarbeiter (c) Universität Stuttgart/Max Kovalenko
Prof. Nussberger und ein Forschungsmitarbeiter

Ein Mitarbeiter zeigt den roten Brotschimmel im Glas. (c) Universität Stuttgart/ Max Kovalenko
Ein Mitarbeiter zeigt den roten Brotschimmel im Glas.

Dickköpfigkeit und Laboralltag

Der Weg dahin führte über handfeste Laborarbeit. Dort züchteten die Forscher in 100-Liter-Tanks Roten Brotschimmelpilz, aus dem in einem mehrstufigen Verfahren hochreine Mitochondrien sowie letztlich TOM isoliert und dann mithilfe der 2017 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichneten Kryo-Elektronenmikroskopie betrachtet wurden. „Der Reiz an unserer Arbeit ist, dass wir in Dimensionen vordringen, die vor uns noch niemand gesehen hat“, sagt Nußberger. Sein Team suche nach Strukturen, von denen sie nicht einmal wüssten, wie sie aussehen. „Ich bin aber auch dankbar, dass diese Dickköpfigkeit beim Verstehen-Wollen biologischer Grundfragen in unserer universitären Landschaft möglich ist“, fügt der Forscher hinzu. Zu den offenen Fragen gehört zum Beispiel auch die nach der Mechanik des „Durchschlüpfens“, ob also das Protein-Spaghetto hindurchgeschoben oder -gezogen wird. Dabei ist die Arbeit der Biophysiker durchaus Basis für praxisorientierte Anwendungen. So gibt es bereits Ansätze, solche Nanoporen für die DNA-Sequenzierung zu nutzen. Und auch für Zellbiologen, die mitochondrale Erkrankungen erforschen, sind die Antworten aus Nußbergers Abteilung hilfreich.

Im Sommer 2017 haben die Biophysiker in Stuttgart und Frankfurt die Struktur einer Protein-Translokase erzeugt, und zwar mit einer Auflösung von 6,8 Ångström, wobei ein Ångström ungefähr die Größe eines Atoms bedeutet. In der Abbildung, die Nußberger präsentiert, sieht man die Translokase-Struktur und ihre beiden Öffnungen mit ihrem
Durchmesser von elf Ångström, die ein wenig an eine venezianische Maske erinnert. Dass eine solche mitochondrale Translokase – in der Fachsprache TOM-Translokase für „translocase of the outer mitochondrial membrane“ – über zwei Poren verfüge, habe er schon vor zehn Jahren festgestellt, berichtet der Professor. Dass diese Erkenntnis nun aber als dreidimensionale Abbildung bei nahezu atomarer Auflösung vorliegt, wertet Nußberger mit charmantem Understatement als „schönes wissenschaftliches Ergebnis“.

Jens Eber

Dieses Bild zeigt Mayer-Grenu
 

Andrea Mayer-Grenu

Wissenschaftsreferentin; Forschungspublikationen