Pressemitteilung der TU München vom 12.01.2012

Scherenbewegung ganz ohne ATP-Verbrauch:

Eine bestimmte Gruppe von Proteinen, die sogenannten Chaperone, helfen anderen Proteinen, sich in die richtige Form zu falten. Bisher nahm man an, dass die Chaperone für die dafür nötigen Konformationsänderungen Energie in Form des universellen, zellulären Energieträgers ATP benötigen. Ein Team von Biophysikern um Thorsten Hugel, Professor an der Technischen Universität München (TUM) und Mitglied des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM), konnte nun zeigen, dass die Scherenbewegung des Chaperons Hsp90 kein ATP verbraucht sondern durch thermische Fluktuation angetrieben wird. Über ihre Ergebnisse berichtet das Fachjournal PNAS in seiner aktuellen Ausgabe.

ATP ist der Hauptenergieträger der meisten Organismen. Die Verbindung wird durch sogenannte ATPasen gespalten, um mit der dabei frei werdenden Energie beispielsweise Muskeln zu bewegen oder Nährstoffe zu transportieren. Das in großen Mengen in den Zellen vorkommende Chaperon-Protein Hsp90 besitzt in jeder seiner beiden Untereinheiten solch eine ATPase. Bisher gingen die Fachleute daher davon aus, dass die Bewegung und die Konformationsänderungen des HSP90 unmittelbar mit der Bindung oder Hydrolyse von ATP zusammenhängen.

Um diese Annahme näher zu untersuchen, haben der Biophysiker Thorsten Hugel und seine Mitarbeiter einen besonderen Versuchsaufbau entwickelt: Mit Hilfe von drei unterschiedlichen Lasern und einer äußerst empfindlichen Kamera konnten die Wissenschaftler die Bindung von ATP und die Konformationsänderungen des Hsp90-Proteins gleichzeitig beobachten. Entgegen ihrer Erwartung zeigten die Experimente, dass Bindung und Hydrolyse von ATP nicht direkt mit den umfassenden Konformationsänderungen des Chaperon-Proteins Hsp90 zusammenhängen. Hsp90 ist vielmehr ein sehr variables System, das durch thermische Fluktuationen angetrieben wird.

„Thermische Fluktuationen, das sind zufällige Änderungen der Struktur des Proteins – man kann sie sich als Zusammenstöße mit Wassermolekülen in der Umgebung vorstellen, die sich bei den Temperaturen in einem lebenden Organismus recht heftig bewegen,“ erklärt Thorsten Hugel. „Indem es diese Zusammenstöße nutzt, um zwischen den verschiedenen Konformationen hin und her zu schalten, spart das Hsp90 wertvolles ATP.“ Doch welche Aufgabe hat dann die ATPase im Hsp90-Chaperon? Die Wissenschaftler vermuten, dass Co-Chaperone oder auch Substratproteine das System so verändern, dass ATP-Bindung oder Hydrolyse eine wesentliche Aufgabe übernehmen.

Mit dem neu entwickelten Versuchsaufbau ist es jetzt möglich, das sehr komplexe System eingehender zu untersuchen und diese wichtige Frage zu lösen. Die Münchner Biophysiker eröffnen damit eine neue Sichtweise auf die Energieumwandlung in molekularen Maschinen.

Die Arbeiten wurden unterstützt durch Mittel der DFG (Hu997/9-1, SFB 863) und dem Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) sowie des NanoBio-Technologie Programms des Elitenetzwerks Bayern.

Originalpublikation:
Heat shock protein 90’s mechano-chemical cycle is dominated by thermal fluctuations
Christoph Ratzke, Felix Berkemeier and Thorsten Hugel.
PNAS, January 3, 2012 vol. 109, no. 1, 161-166) – Doi: 10.1073/pnas.1107930108

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Presseinformation der LMU München vom 09.01.2012 

Neues Verfahren erleichtert Analyse von Nukleinsäuren

Wie bei Proteinen beeinflusst auch bei Nukleinsäuren – also den Erbmolekülen DNA und RNA – die dreidimensionale Struktur deren Eigenschaften. Die Verwendung von Nanoporen zur Strukturbestimmung ist eine noch junge, aber vielversprechende Technik. Allerdings verhinderten Interaktionen zwischen Protein-Pore und Molekül bisher, das Verhalten selbst einfach strukturierter Moleküle während der Passage durch die Pore – der sogenannten Translokation – quantitativ zu verstehen. Dies ist aber notwendig, um die Technik langfristig für die Strukturbestimmung einsetzen zu können. Einem Forscherteam um LMU-Physiker Professor Ulrich Gerland und Professor Friedrich Simmel, TU München, gelang es nun im Rahmen des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM), ein neues Verfahren zu entwickeln, das die Nukleinsäuren im Rückwärtsgang analysiert und so störende Einflüsse minimiert. Dies erlaubte den Wissenschaftlern, ein theoretisches Modell zu erstellen, das die Translokationsdynamik verschiedener Molekülsequenzen vorhersagen kann.

Die Nukleinsäuren RNA und DNA sind sogenannte Polynukleotide, die aus einer kettenförmigen Abfolge bestimmter Bausteine bestehen. Sofern sie als Einzelstrang vorliegen, können sie zudem sogenannte Sekundärstrukturen ausbilden: Bestimmte Abschnitte des Strangs gehen dann eine Verbindung ein, während das dazwischen liegende Stück eine Schleife bildet. Ist die Schleife kurz, wird die Sekundärstruktur als Haarnadelstruktur bezeichnet. Wie bei Proteinen beeinflusst die Sekundärstruktur auch bei Nukleinsäuren die Moleküleigenschaften, ihre Aufklärung ist daher von großem Interesse. „Um die Sekundärstruktur von RNA und DNA zu untersuchen, werden zunehmend Nanoporen eingesetzt: Man nutzt dabei aus, dass die Moleküle sich bei der Passage durch die engen Poren entfalten müssen und gewinnt Einblick in die Moleküleigenschaften, ohne dass man fluoreszierende Markierungen anbringen muss“, erklärt Gerland, „diese Technik ist noch recht jung und ihre Möglichkeiten sind bei Weitem noch nicht ausgeschöpft“. Nun gelang es den Wissenschaftlern, ein neues experimentelles Verfahren zu entwickeln, das es ermöglicht, die Passage einfach strukturierter Polynukleotide durch Nanoporen quantitativ zu verstehen und in einem theoretischen Modell darzustellen. Bisher war dies nicht möglich, weil Komplikationen wie etwa Interaktionen zwischen der Protein-Nanopore und dem Polynukleotid die Messungen signifikant beeinflussten und schwer vorherzusagen waren. Diese Komplikationen konnten nun durch ein verändertes experimentelles Design minimiert werden. Der entscheidende Trick dabei ist, die Analyse im Rückwärtsgang – das heißt gegenläufig zur Einfädelrichtung – zu machen: Das Polynukleotid wird durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zunächst durch die trichterartige Öffnung auf der einen Seite der Pore gefädelt, wobei es sich entfaltet und nach der Passage – der sogenannten Translokation – seine Sekundärstruktur wieder einnimmt. Ein „Anker“ am Ende des Strangs verhindert das vollständige Durchrutschen durch die Pore. Anschließend wird der Strang wieder auf die Startseite zurückgeholt, wobei er sich nun an der engen Seite der Pore entfalten muss – und erst jetzt erfolgt die Analyse. „Im Gegensatz zur Vorwärts-Translokation scheinen dabei keine signifikanten Interaktionen stattzufinden“, sagt Simmel. Mithilfe der Ergebnisse entwickelten die Wissenschaftler ein theoretisches Modell, das die Translokationsdynamik verschiedener Haarnadelstrukturen mithilfe thermodynamisch berechneter sogenannter „freier Energielandschaften“ vorhersagen kann. „Dies kann eine Grundlage sein für die zukünftige Strukturaufklärung auch von komplizierteren Polynukleotid-Sekundärstrukturen“, blickt Gerland in die Zukunft. (göd)

Publikation:
„Quantitative Analysis of the Nanopore Translocation Dynamics of Simple Structured Polynucleotides“;
S. Schink, S. Renner, K. Alim, V. Arnaut, F.C. Simmel, U. Gerland;
Biophysical Journal Volume 102 January 2012 1-11;
doi: 10.1016/j.bpj.2011.11.4011

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Pressemitteilung der TU München vom 11.12.2011

Gezielter Protonentransfer in einem Molekül:

Miniaturisierung ist seit langem das Zauberwort in der Elektronik. Ins Extreme getrieben hat sie jetzt ein Physikerteam um Dr. Willi Auwärter und Professor Johannes Barth von der Technischen Universität München (TUM), die in der Publikation „Nature Nanotechnology“ einen neuartigen molekularen Schalter vorstellen. Entscheidend für die Funktionsweise des Schalters ist die Position eines einzelnen Protons in einem Porphyrinring mit einem Innendurchmesser von weniger als einem halben Nanometer. Vier unterschiedliche Zustände können die Wissenschaftler hier gezielt einstellen.

Porphyrine sind ringförmige Moleküle, die sehr flexibel ihre Struktur ändern können und sich deshalb für vielfältige Anwendungen eignen. Das Tetraphenylporphyrin ist keine Ausnahme: Es nimmt gerne eine Sattelform an und wird bei der Verankerung auf metallischen Oberflächen nicht in seiner Funktionalität eingeschränkt. Im Inneren des Moleküls befindet sich ein Paar von Wasserstoffatomen, die ihre Position zwischen zwei Konfigurationen wechseln können. Dieser Prozess findet bei Raumtemperatur unentwegt und rasend schnell statt.

Für ihr Experiment unterdrückten die Wissenschaftler diese spontane Bewegung, indem sie die Probe kühlten. So konnten sie den gesamten Vorgang im Einzelmolekül mit einem Rastertunnelmikroskop induzieren und beobachten. Das Mikroskop ist dafür besonders geeignet, weil es – im Gegensatz zu anderen Methoden – nicht nur Anfangs- und Endzustand festhalten kann; sondern es erlaubt den Physikern, die Wasserstoffatome direkt anzusteuern. In einem weiteren Schritt entfernten sie nun gezielt eines der beiden Protonen im Inneren des Porphyrinrings. Das Verbleibende kann daraufhin vier unterschiedliche Schalterpositionen besetzen. Ein winziger Strom, der durch die feine Spitze des Mikroskops fließt, stimuliert den Protonentransfer und stellt so eine bestimmte Konfiguration ein.

Die jeweiligen Positionen des Wasserstoffatoms beeinträchtigen zwar weder die grundsätzliche Struktur des Moleküls noch die Bindung an die metallische Oberfläche, dennoch sind die Zustände nicht völlig identisch. Dieser kleine, aber feine Unterschied und die Tatsache, dass der Vorgang beliebig wiederholbar ist, definieren einen Schalter, der sich mit bis zu etwa 500 Einstellungen pro Sekunde steuern lässt. Ausgelöst wird der Protonentransfer dabei von einem einzigen Tunnelelektron.

Das Schaltermolekül hat eine Fläche von einem Quadratnanometer und ist damit die kleinste bislang realisierte atomistische Schalteinheit. Die Physiker sind mit der Demonstration hochzufrieden, und freuen sich außerdem über die Einblicke in den Mechanismus der Protonenübertragung, die sie mit ihren Studien gewinnen konnten. Knud Seufert hat hierbei maßgebliche Experimente durchgeführt: „Einen vierfachen Schalter zu betätigen, indem man ein einzelnes Proton innerhalb eines Moleküls bewegt, ist wirklich faszinierend, und ein echter Schritt hin zu Technologien auf der Nanoskala.“

Die Forschungsarbeit wurde unterstützt aus Mitteln des European Research Councils (ERC Advanced Grant MolArt, No. 247299), des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) und des Institute for Advanced Study der TU München.

Originalpublikation:
Willi Auwärter, Knud Seufert, Felix Bischoff, David Ecija, Saranyan Vijayaraghavan, Sushobhan Joshi, Florian Klappenberger, Niveditha Samudrala, and Johannes V. Barth A surface-anchored molecular four-level conductance switch based on single proton transfer Nature Nanotechnology, Advance Online Publication, 11 December 2011

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Presseinformation der LMU München vom 12.12.2011

Anwendungen in Chemie und Industrie denkbar

Zeolithe sind poröse Materialien, die dank ihrer gleichförmigen Poren und ihrer großen inneren Oberfläche wie Molekularsiebe wirken und etwa zur Luftfilterung und Reinigung von Wasser eingesetzt werden – nicht zuletzt auch zur Säuberung des radioaktiv verseuchten Meerwassers bei Fukushima. Weitere wichtige Anwendungen finden sich in der Katalyse sowie bei der Auftrennung und Adsorption von Stoffen. Einem Forscherteam um Professor Svetlana Mintova vom Laboratoire Catalyse et Spectrochimie im französischen Caen und den LMU-Chemiker Professor Thomas Bein ist es nun gelungen, einen der wichtigsten stabilen Zeolithe mit sehr großen Poren („EMT“) auf sehr einfache, kostengünstige und umweltfreundliche Weise herzustellen. Zeolithe bestehen aus Aluminium-, Silizium- und Sauerstoffatomen, können aber auf vielfältige Weise chemisch modifiziert werden. Über 200 Zeolithe sind bereits bekannt. Die neuen Zeolith-Nanokristalle könnten in ganz neuartigen Anwendungen zum Einsatz kommen. Das Projekt wurde unter anderem durch das Exzellenzcluster „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) gefördert. (Science online, 8. Dezember 2011)

Viele Zeolithe benötigen teure organische Agentien („Template“) in der Herstellung – was nun bei der neuartigen Synthese von EMT nicht mehr nötig ist. Dazu kommt, dass der Vorgang fast bei Raumtemperatur und in sehr kurzer Zeit abläuft, was die Synthese deutlich vereinfacht. „Dieser Syntheseweg erzeugt die bislang kleinsten Zeolith-Nanokristalle mit der großporigsten Struktur“, sagt Bein. „Das ist für Anwendungen sehr attraktiv, weil Moleküle kurze Wege haben, um in die Zeolithe einzudringen, wo dann die katalytischen Reaktionen ablaufen.“

Aber auch aus Umweltgesichtspunkten ist die Synthese der ultrakleinen EMT-Zeolithe von Vorteil, weil die Prozedur sehr viel weniger aufwändig ist, und auch keine Template mehr benötigt werden. „Wir vermuten, dass die ultrakleinen Zeolithe in vielen Anwendungen zum Einsatz kommen werden“, so Bein. „Denkbar ist dies unter anderem bei der Katalyse mit großen Molekülen, bei der selektiven Adsorption von Stoffen und beim Design von Nanostrukturen wie ultradünnen Filmen, Membranen und chemischen Sensoren.“ (suwe)

Publikation:
„Capturing Ultrasmall EMT Zeolite from Template-Free Systems“;
Eng-Poh Ng, Daniel Chateigner, Thomas Bein, Valentin Valtchev, Svetlana Mintova;
Science online, 8. Dezember 2011;
doi: 10.1126/science.1214798

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Presseinformation der Universität Göttingen vom 30.11.2011

Wissenschaftler aus Göttingen und Israel entdecken neue Eigenschaft von Motorproteinen

(pug) Bestimmte Enzyme, die bei der Zellteilung für den Transport von Chromosomen zuständig sind, können sowohl ihre Geschwindigkeit als auch ihre Laufrichtung ändern. Das haben Wissenschaftler des DFG-Forschungszentrums und Exzellenzclusters „Molekularphysiologie des Gehirns“ an der Universität Göttingen sowie der Ben-Gurion-Universität des Negev in Israel herausgefunden. Die Forscher widerlegten damit die bisherige Annahme, dass jedes dieser sogenannten Motorproteine auf eine bestimmte Laufrichtung vorprogrammiert sei. Die neuen Erkenntnisse lassen die Nanometer-großen „Bio“-Maschinen weit leistungsfähiger und vielseitiger erscheinen als bislang vermutet. Die Forschungsergebnisse erscheinen am Mittwoch, 14. Dezember 2011, in der Fachzeitschrift The EMBO Journal und wurden schon jetzt online veröffentlicht.

Die Zellteilung ist ein zentraler Vorgang bei der Entwicklung von Organismen. Während der „normalen“ Zellteilung werden die zuvor verdoppelten Chromosomen der Mutterzelle auf die Tochterzellen verteilt. Dieser genau regulierte Prozess wird angetrieben durch spezialisierte Enzyme. Bisher glaubte man, dass diese Motorproteine fest programmiert sind und sich auf molekularen Schienen nur in eine bestimmte Laufrichtung bewegen können – wobei ein Typ von Motor eine Bewegung in Richtung der Zellränder erzeugt, ein anderer in Richtung Zellmitte. In Bierhefezellen konnten die Wissenschaftler nun nachweisen, dass ein und derselbe Zellteilungsmotor sowohl in die eine als auch in die andere Richtung laufen kann, in Richtung der Zellränder sogar bis zu zehn Mal schneller als andere bekannte Mitglieder dieser Enzym-Familie. Die Forscher in Göttingen und Israel nutzten bei ihrer Arbeit hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie, mit der sie einzelne Moleküle sowohl in den Hefezellen als auch in einer künstlichen Umgebung beobachten konnten.

„Ein detailliertes Verständnis biologischer Motoren während der Zellteilung ist wichtig sowohl für die elementare Zellbiologie als auch für die Krebsforschung und für die biologisch inspirierte Nanotechnologie“, erläutert Prof. Dr. Christoph Schmidt vom III. Physikalischen Institut der Universität Göttingen. „Ein besonders interessanter Aspekt unserer Ergebnisse ist die Tatsache, dass die bi-polaren Motoren genau in dem Moment in den langsamen Vorwärtsgang schalten, in dem sie helfen, die Chromosomen auseinanderzuschieben.“

Originalveröffentlichung:
Gerson-Gurwitz et al. Directionality of individual kinesin-5 Cin8 motors is modulated by loop 8, ionic strength and microtubule geometry. The EMBO Journal 2011. Doi: 10.1038/emboj.2011.403.

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