08.09.2016 - Forschungszentrum Jülich GmbH

Neue Mikroskopie-Technik bringt Feinstrukturen des Lebens ans Licht

Forscher erstellen Modell eines Protein-Filaments in atomarem Detail

Eigentlich liebt Ignicoccus hospitalis es warm. Zu den Archaeen gehörend, einer urtümlichen einzelligen Lebensform neben Bakterien und Lebewesen mit Zellkern, fühlt es sich am wohlsten in heißen unterseeischen Vulkanquellen vor Island, bei Temperaturen knapp unter 100 Grad. Im Namen der Forschung wurde es jetzt eisig für den Einzeller: Ein internationales Forscherteam unter Führung Jülicher Wissenschaftler nutzte das extrem hochauflösende, mit schockgefrorenen Proben arbeitende Verfahren der Cryo-Elektronenmikroskopie, um ein Modell der Filamente des Bakteriums in atomarem Detail zu erstellen. Diese langgestreckten Proteinfasern sind unter anderem deshalb von Interesse, weil sie starke Ähnlichkeit zu sogenannten Flagellen aufweisen, mit deren Hilfe sich viele Prokaryonten - Lebensformen ohne Zellkern - fortbewegen. Das detaillierte 3D-Modell der Struktur könnte so zu einem besseren Verständnis dieser biologischen Antriebssysteme beitragen.

In der Welt der Archaeen und Bakterien ist die Flagelle das Fortbewegungsmittel der Wahl. Die langgestreckten Fäden oder "Filamente" aus Proteinen werden dabei von einer Art molekularem Motor in der Zellwand bewegt und erzeugen so Schub. In der Biologie wurden die Flagellensysteme der Bakterien bereits umfassend erforscht, während über deren Struktur in den Archaeen wenig bekannt ist.

Das erste atomare Modell eines flagellenähnlichen Filaments eines Archaeums wurde nun von Jun.-Prof. Gunnar Schröder und seiner Doktorandin Tatjana Braun auf der Basis von Aufnahmen erstellt, die Kooperationspartner der University of Virginia mithilfe eines extrem hochauflösenden Cryo-Elektronenmikroskops von Ignicoccus-Proben aufgenommen hatten. Diese stammten aus dem Archaeen-Zentrum der Universität Regensburg.

Es war bereits bekannt, dass die Gene für die Ausbildung der Flagellen von Archaeen und Bakterien grundsätzlich verschieden sind. Die nun gewonnenen Daten zeigen, dass sich archaeelle und bakterielle Flagellen auch in ihrer Struktur grundsätzlich unterscheiden. Sie sind also von der Natur zweimal erfunden worden und somit ein Beispiel konvergenter Evolution.

Schröder und Braun arbeiten in der Forschungsgruppe Computergestützte Strukturbiologie am Jülicher Institute of Complex Systems (Strukturbiochemie, ICS-6) an Auswertungs- und Modellierungssoftware für die derzeit rasch wachsende Cryo-EM-Forschergemeinde. Das Computerverfahren, mit dem die elektronenmikroskopischen Bilder zu einer dreidimensionalen atomaren Struktur umgesetzt wurden, entwickelte Braun im Rahmen ihrer Promotion.

Erst in jüngster Zeit haben Cryo-Elektronenmikroskope Auflösungen erreicht, die ausreichen, biologische Strukturen wie diejenigen von Proteinmolekülen atomar analysieren zu können.

Für die Strukturbiologie eröffnet das viele neue Möglichkeiten. Denn die bisher gängigen Verfahren der Röntgenkristallographie und NMR-Spektroskopie können Proteinstrukturen zwar in ähnlichen Auflösungen liefern, haben allerdings Limitierungen, wenn es um größere Strukturen aus hunderten oder tausenden Proteinen geht. Mit der Cryo-EM als neuer Methode wird es nun wesentlich einfacher zu verstehen, wie sich einzelne Proteinmoleküle zu Makrostrukturen zusammenfügen, die als molekularen Maschinen im Körper funktionieren. Jede der drei Methoden hat dabei eigene Stärken und Schwächen, sodass gerade in ihrer Kombination die größten Chancen für die Zukunft liegen, erklärte Schröder kürzlich gegenüber dem Fachmagazin Nature. In seiner Jülicher Forschungsgruppe entwickelt er deshalb auch spezielle Software-Systeme für Zusammenführung der unterschiedlichen experimentellen Daten.

"Die neue Generation der Cryo-EM-Geräte hat ihr enormes Potenzial bereits jetzt ganz unzweifelhaft unter Beweis gestellt", sagt Prof. Dieter Willbold, Direktor des Jülicher ICS-6. "Auf lange Sicht werden sie unverzichtbar werden für anspruchsvolle strukturbiologische Fragen. Wir wollen in Jülich deshalb heute schon die nötige Expertise aufbauen und hoffen, in naher Zukunft auch eigene Geräte anschaffen zu können."

  • Braun T, Vos M, Kalisman N, Rachel R, Wirth R, Schröder GF and Egelman EH; "Archael Flagellin Combines a Bacterial Type IV Pilin Domain with an Immunoglobulin-like Domain"; PNAS early edition; 30. 08. 2016

Fakten, Hintergründe, Dossiers

  • Kryo-Elektronenmikroskopie
  • Bakterien
  • Archaeen
  • Strukturbiologie

Mehr über Forschungszentrum Jülich

  • News

    Synapsen als Vorbild: Festkörperspeicher in neuromorphen Schaltungen

    Sie sind um ein Vielfaches schneller als Flash-Speicher und benötigen deutlich weniger Energie: Memristive Speicherzellen könnten die Energieeffizienz neuromorpher Computer revolutionieren. In diesen Rechnern, die sich die Arbeitsweise des menschlichen Gehirns zum Vorbild nehmen, funktionie ... mehr

    Alzheimerforschung: Neue Erkenntnisse zur Bildung schädlicher Proteinklümpchen

    Kleine Zusammenlagerungen von Proteinen, sogenannte Aβ-Oligomere, gelten als Hauptverdächtige für die Entstehung der Alzheimer-Demenz. Wo und unter welchen Bedingungen die schädlichen Verklumpungen entstehen, ist bislang jedoch noch unklar. Forschende der Heinrich-Heine-Universität Düsseldo ... mehr

    Wie Katalysatoren aktiver werden

    Eine Schicht, dünn wie ein einziges Atom, macht einen gewaltigen Unterschied: Auf der Oberfläche einer Elektrode verdoppelt sie die Menge des Wassers, die in einer Elektrolyse-Anlage gespalten wird – ohne dass sich dabei der Energiebedarf erhöht. Damit verdoppelt die ultradünne Schicht auch ... mehr

  • q&more Artikel

    Makromolekulare Umgebungen beeinflussen Proteine

    Eine intensive Wechselwirkung von Proteinen mit anderen Makromolekülen kann wichtige Eigenschaften von Proteinen wie z. B. die Translationsbeweglichkeit oder den Konformationszustand signifi kant verändern. mehr

    Koffein-Kick

    Koffein ist die weltweit am weitesten verbreitete psycho­aktive Substanz. Sie findet sich als Wirkstoff in Getränken wie Kaffee, Tee und sog. Energy Drinks. Koffein kann Vigilanz und Aufmerksamkeit erhöhen, Schläfrigkeit reduzieren und die kognitive Leistungsfähigkeit steigern. Seine neurob ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Jörg Fitter

    Jg. 1963, studierte Physik an der Universität Hamburg. Nach seiner Promotion an der FU Berlin war er im Bereich der Neutronenstreuung und der molekularen Biophysik am HahnMeitnerInstitut in Berlin und am Forschungszentrum Jülich tätig. Er habilitierte sich in der Physikalischen Biologie der ... mehr

    Dr. David Elmenhorst

    David Elmenhorst, geb. 1975, studierte Medizin in Aachen und promovierte am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln im Bereich der Schlafforschung. 2008/2009 war er Gastwissenschaftler am Brain Imaging Center des Montreal Neuro­logical Institut in Kanada. Seit 2003 ist er in der A ... mehr

    Prof. Dr. Andreas Bauer

    Andreas Bauer, geb. 1962, studierte Medizin und Philo­sophie in Aachen, Köln und Düsseldorf, wo er auf dem Gebiet der Neurorezeptorautoradiografie promovierte. Seine Facharztausbildung absolvierte er an der Universitätsklinik Köln, er habilitierte an der Universität Düsseldorf im Fach Neuro ... mehr

Meistgelesene News

  1. Batterien ohne kritische Rohstoffe
  2. Neue Omikron-Untervariante BQ.1.1 resistent gegen alle therapeutischen Antikörper
  3. Genaue Molekülstruktur eines der wichtigsten Rezeptoren im Immunsystem entschlüsselt
  4. Studie zeigt: Nudelabfälle eignen sich sehr gut für Milchsäureproduktion
  5. Neue Methode revolutioniert Krebsdiagnose
  6. Knotenzentrische Genexpressionsmodelle (NCEMs): Graph Neural Networks enthüllen Kommunikation zwischen Zellen
  7. Das älteste Labortier der Welt
  8. Grüne Chemie: BAM erforscht Arzneimittelproduktion ohne Lösungsmittel und CO₂-Ausstoß
  9. Langlebiger, kostengünstiger Katalysator reduziert den Kohlenstoff-Fußabdruck der Ammoniakproduktion
  10. Rätsel der Festkörperphysik gelöst

Themen A-Z

Alle Themen

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von: