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Winzigen Protein-Tröpfchen auf der Spur mit Röntgenlicht

WissenschaftlerInnen der Universitäten Siegen, Tübingen, Lund und Stockholm untersuchen in einem deutsch-schwedischen Forschungsprojekt die Dynamik von Proteinen in Zellen. Therapien für Krankheiten könnten durch die Ergebnisse entwickelt oder verbessert werden.

Biologische Zellen sind dicht gefüllt mit Proteinen und es geht in ihnen zu wie auf dem Weihnachtsmarkt: Es ist sehr voll und es herrscht dichtes Gedränge. Ab und zu bilden sich größere Ansammlungen von Proteinen – vergleichbar mit der Menschentraube rund um einen Glühweinstand – die sogenannten Protein-Kondensate. Die Bildung und Eigenschaften dieser Kondensate zu verstehen, ist Ziel eines deutsch-schwedischen Forschungsprojektes, das im Juni startet. WissenschaftlerInnen der Universität Siegen arbeiten dabei mit KollegInnen der Universitäten Tübingen, Lund und Stockholm zusammen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und der Schwedische Research Council fördern das Projekt mit insgesamt 1,7 Millionen Euro. Es läuft über vier Jahre und wird von der Universität Siegen koordiniert.

„Die Tatsache, dass sich in Zellen Protein-Ansammlungen oder Kondensate bilden können, ist seit einigen Jahren bekannt. Die genaue biologische Funktion dieser Kondensate kennen wir jedoch nach wie vor nicht – das ist ein hochspannendes Thema“, sagt der Physiker und Projektleiter Prof. Dr. Christian Gutt von der Universität Siegen. Proteine bewegen sich im dichten Zellplasma und erledigen dabei viele der biologisch wichtigen Aufgaben. In der Zelle können die fein verteilten Proteinmoleküle auch zu winzigen Tröpfchen kondensieren. Diese flüssigen Tröpfchen können sich von selbst wieder auflösen, manchmal nehmen sie aber auch einen gel-artigen oder sogar festen Zustand an und stehen dann im Verdacht, Auslöser von Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson sein.

Die Bildung von Protein-Kondensaten beobachten: Stau wie auf der Autobahn

Protein_Aufbau„Wir möchten in dem Projekt die Frage beantworten, wie sich die Proteine in so einer dichten Umgebung innerhalb der Tröpfchen verhalten und wie die Dynamik von der Form der Proteine abhängt. Wir wollen messen, wie schnell die Proteine sind, wann sich die Kondensate formen, beziehungsweise wieder auflösen und warum die Tröpfchen manchmal gel-artig und letztlich fest werden“, erklärt Christian Gutt. Versteht man die Bildungsmechanismen genau, könnte man später auch in der Lage sein, sie gezielt zu beeinflussen, so die Hoffnung der WissenschaftlerInnen. So könnten zum Beispiel neue Therapien für Krankheiten wie Alzheimer entwickelt oder Krebstherapien, die auf hochkonzentrierten Antikörpern basieren, verbessert werden.

Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Beobachtung der zugrundeliegenden molekularen Prozesse dar, sagt Professor Gutt. Denn in den Tropfen sind die Proteine hundert- bis tausendfach stärker konzentriert, als außerhalb im Zellplasma. In der Folge bewegen sie sich in diesen dichten Umgebungen viel langsamer – man denke wieder an das dichte Gedränge auf dem Weihnachtsmarkt oder auch an einen Stau auf der Autobahn, wo es nur im Schritttempo vorwärtsgeht. „Wir müssen bei unseren Untersuchungen der Zellvorgänge also sehr unterschiedliche Längen- und Zeitskalen abdecken, je nachdem, ob wir es mit vielen, oder wenigen Molekülen zu tun haben und wie schnell sich diese in der jeweiligen Umgebung bewegen können“, erläutert Gutt.

Proteine werden im Dunkeln gefilmt - Auswertung eines einzigen Films dauert ca. ein Jahr 

Durchgeführt werden die Untersuchungen an verschiedenen Großforschungsanlagen in ganz Europa. Die Moleküle werden dort Protein_Kamerawährend der Bildung der Kondensate mit hochintensivem Röntgenlicht gefilmt (molecular movie), um dabei ihre Bewegungen zu analysieren. „Das Röntgenlicht würde die Proteine unter normalen Umständen zerstören, deshalb müssen wir eine Methode entwickeln, sie im Dunkeln zu filmen und aus diesen ‚Rauschfilmen‘ anschließend die relevanten Informationen herauslesen“, sagt Gutt. Die einzelnen Filme von bis zu hunderten von Terabyte (TB) an Daten auszuwerten, ist die zweite große Herausforderung des Projekts. Die WissenschaftlerInnen wenden dazu neue Methoden des maschinellen Lernens an. Dennoch geht Gutt davon aus, dass es etwa ein Jahr dauern wird, einen einzelnen Film auszuwerten.

„Mich fasziniert besonders die Verbindung zwischen grundlegender Physik, wenn wir uns die einzelnen Pixel der Dunkelfilme hochgenau anschauen, und angewandter Forschung mit starker Verbindung zur Physikalischen Chemie und Biologie“, erklärt Gutt, dessen Forschungsschwerpunkt im Bereich der Festkörperphysik liegt. Er ist sich sicher: Wenn die Auswertung der Dunkelfilme als Analysemethode funktioniert, wird das Forschungsprojekt auch in der Biologie und der Medizin auf großes Interesse stoßen. „In der Erforschung der biomolekularen Kondensate liegt ein riesiges Potenzial. Das ist so ein tolles Thema – daran werden wir die nächsten 20 Jahre forschen!“

Kontakt:
Prof. Dr. Christian Gutt
E-Mail: Christian.gutt@uni-siegen.de
Tel.: 0271 740 3741

Protein_XFEL

Ein Teil der Forschungsarbeit findet am "European XFEL" in Hamburg statt, dem weltweit größten Röntgenlaser.
(Copyright: European XFEL / Heiner Müller-Elsner)