Proteomics

Wie sich Kanalproteine in Membranen bewegen

In künstlichen Membranen werden jeweils natürliche Kanalproteine eingebaut, um den Transport von Ionen und Molekülen sicherzustellen. Forschende der Universität Basel haben nun erstmals die Bewegung dieser Kanalproteine gemessen.

Natürliche Kanalproteine bewegen sich seitlich in einer dicken künstlichen Membran, wobei sich diese um die Proteine herum komprimiert. (Bild: Reprinted with permission from ACS)

Sie bewegen sich höchstens zehnmal langsamer als in ihrer natürlichen Umgebung, der Zellmembran. Die Erkenntnisse helfen der Weiterentwicklung von neuen Anwendungen wie Nanoreaktoren und künstlichen Organellen, berichten die Forschenden in der Fachzeitschrift „Nano Letters“.

Die Membranen unserer Körperzellen sind nur etwa 4 bis 5 nm dick und bestehen aus einer komplexen Mischung von Lipiden und spezifischen Membranproteinen, darunter Kanalproteinen. Eine solche Zellmembran lässt sich als flüssige 2-D-Lösung beschreiben, in welcher sich die Komponenten seitlich bewegen können. Diese Bewegungen innerhalb der Membran sind von deren Flexibilität und Fluidität abhängig und bestimmen schließlich die Funktionalität der Membran.

Frei bewegliche Kanalproteine
Chemiker des NCCR „Molecular Systems Engineering“ um Prof. Wolfgang Meier und Prof. Cornelia Palivan von der Universität Basel haben nun drei verschiedene Kanalproteine in künstlichen Membranen von 9 bis 13 nm Dicke eingebaut und dort erstmals deren Bewegungen gemessen. Dafür stellten sie zunächst große Membranmodelle mit eingebetteten, gefärbten Kanalproteinen her; diese brachten sie auf eine Glasoberfläche und maßen sie dann mittels einer Einzelmolekül-Messmethode, der sogenannten Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie. Alle drei Kanalproteine konnten sich frei in den unterschiedlich dicken Membranen bewegen, wobei sie dies maximal zehnmal langsamer taten als in den Lipiddoppelschichten der natürlichen Umgebung.

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Flexibilität nötig
In dickeren Membranen müssen sich die Bausteine der Membran (Polymere) um die Kanalproteine herum komprimieren können, um sich deren fixen Größe anzupassen. Dafür müssen die Bausteine der Membran genug flexibel sein. Dies wurde bereits theoretisch beschrieben und konnte nun von den Forschenden der Universität Basel erstmals experimentell gemessen werden: Je dicker die Membran, desto langsamer war die Bewegung des Kanalproteins im Vergleich zur Bewegung der Polymere selber, welche die Membran formen.

„Das Phänomen lässt sich durch eine lokale Fluiditätsverringerung beschreiben, die durch die Komprimierung der Polymere hervorgerufen wird“, erläutert Erstautor Fabian Itel. Grundsätzlich ist aber das Verhalten der Kanalproteine in künstlichen Membranen vergleichbar zu jenem in ihrer natürlichen Umgebung, der Lipiddoppelschicht, wobei die Zeitskala der Bewegungen um etwa das Zehnfache tiefer liegt. Das Forschungsprojekt wurde vom Schweizerischen Nationalfonds und dem NCCR Molecular Systems Engineering finanziell unterstützt.

Originalbeitrag:
Fabian Itel, Adrian Najer, Cornelia G. Palivan, and Wolfgang Meier: Dynamics of membrane proteins within synthetic polymer membranes with large hydrophobic mismatch. Nano Letters (2015), DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b00699.

Weitere Auskünfte:
Prof. Wolfgang Meier
Universität Basel, Departement Chemie
E-Mail: wolfgang.meier@unibas.ch

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