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Proteinproduktion in Bakterien ist enger vernetzt als gedacht
Proteine entstehen in Bakterien offenbar nicht in voneinander getrennten molekularen Stationen. Zwei Studien an Mycoplasma pneumoniae zeigen mit Kryo-Elektronentomografie, wie Transkription, Proteinsynthese, Membrantransport und Faltung räumlich gekoppelt sind. Die 3D-Aufnahmen machen dabei sowohl lange vermutete Superkomplexe als auch eine bislang unbekannte Faltungsmaschinerie an der Zelloberfläche sichtbar.
Heidelberg (Deutschland). Ribosomen, RNA-Polymerasen und Membrantransporter werden in der Strukturbiologie oft einzeln untersucht. In intakten Zellen arbeiten solche Maschinen jedoch im selben engen Raum, sodass ihre Positionen und Kontakte ihre Funktion mitbestimmen können. Wie stark diese Prozesse miteinander verschränkt sind, war bisher nur schwer direkt zu beobachten.
Die Kryo-Elektronentomografie, kurz Kryo-ET, macht schockgefrorene Zellen dreidimensional sichtbar und erhält dabei viele molekulare Strukturen in ihrem natürlichen Umfeld. Forscher des European Molecular Biology Laboratory (EMBL) um Julia Mahamid haben die Methode nun in zwei veröffentlichten Studien auf das genomreduzierte Bakterium Mycoplasma pneumoniae angewandt. Die Arbeiten verfolgen unterschiedliche Fragen, treffen sich aber bei derselben Beobachtung: Proteinproduktion, Transport und Weiterverarbeitung sind räumlich enger gekoppelt, als eine Betrachtung isolierter Einzelmaschinen vermuten lässt.
„Beide Projekte sind im Wesentlichen Machbarkeitsnachweise für diese Art der Analyse. Statt einen einzelnen Molekültyp isoliert zu betrachten, untersuchen beide Arbeiten die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen zellulären Systemen und verfolgen dabei gemeinsam die Frage, wie unterschiedliche Prozesse koordiniert werden“, erklärt Joe Dobbs.
In der ersten Studie haben Joe Dobbs und seine Kollegen native sowie mit Antibiotika behandelte Zellen untersucht. Aus den Tomogrammen rekonstruierten sie 140 Strukturkarten, die Ribosomen in verschiedenen Phasen der Proteinsynthese zeigen, von der Initiation über die Verlängerung der entstehenden Proteinkette bis zum Abschluss und Recycling. Dabei fanden die Forscher mehrere direkte räumliche Verbindungen zwischen der Transkription, bei der DNA in Boten-RNA umgeschrieben wird, und der Translation an den Ribosomen.
Die Aufnahmen liefern zudem strukturelle Hinweise auf einen seit Langem vermuteten Superkomplex, der Transkription, Translation und die Anheftung an die Zellmembran koordiniert. Auffällig waren auch zahlreiche große Ribosomen-Untereinheiten, die an der Membran saßen, obwohl sie gerade keine Proteine herstellten. Die Daten sprechen dafür, dass sich diese Untereinheiten erst unter passenden Bedingungen lösen, wenn eine neue Runde der Translation beginnt.
Ein ähnliches Verhalten war früher auch in Säugerzellen beobachtet worden. Die Bakteriendaten lassen deshalb vermuten, dass einzelne Grundprinzipien der Membranbindung evolutionär weit verbreitet sein könnten. Sie belegen jedoch nicht, dass derselbe Mechanismus in komplexen Zellen oder beim Menschen identisch abläuft.
Die zweite Studie begann mit einer unbekannten kuppelförmigen Struktur an der Zelloberfläche. Rasmus Jensen und seine Kollegen kombinierten Kryo-ET mit Proteomanalysen, Strukturvorhersagen und Bioinformatik, um die Bestandteile der Struktur zu identifizieren. So zeigte sich, dass die Kuppel mit dem bekannten Sec-Translokon verbunden ist, einem Proteinkanal in der Membran, durch den neu gebildete Proteine aus der Zelle transportiert oder in die Membran eingebaut werden.
„Joe begann mit einer biologischen Frage, die er beantworten wollte. Ich bin aus der entgegengesetzten Richtung gestartet. Wir hatten etwas Interessantes in der Zelle gesehen und arbeiteten rückwärts, um herauszufinden, was es war. Schließlich entdeckten wir, dass es sich um eine neue Konfiguration einer molekularen Maschine handelt, die Proteine entweder aus der Zelle exportiert oder in ihre Membran einbaut“, erklärt Rasmus Jensen.
Den größten Teil der äußeren Kuppel bi