Kryo-Elektronenmikroskopie-Experimente

Ribosom hochauflösend kartiert

Forschenden ist es gelungen, ein vergleichsweise großes, komplexes und seltenes Molekül hochauflösend dreidimensional zu kartieren. Es handelt sich dabei um das vollständige Ribosom (die „Proteinherstellungs-Maschinerie“) in Mitochondrien (den intrazellulären „Kraftwerken“) von Säugetieren.

Die nun aufgeklärte Struktur des mitochondriellen Ribosoms von Säugetieren. Im Zentrum sind gelb und pink zwei sogenannte tRNA-Moleküle zu sehen, welche Protein-Bausteine zum Ribosom bringen. (Bild: Basil Greber, Nenad Ban / ETH Zürich)

Sekunde für Sekunde werden in allen unseren Körperzellen neue Proteine hergestellt, dies als Teil des ganz normalen Stoffwechsels. Eigentliche Akteure sind dabei die Ribosomen, aus zahlreichen Einheiten zusammengesetzte Molekülkomplexe. Sie lesen die auf einer Kopie der Gene codierte Information ab und setzten dem Bauplan entsprechend die Proteine zusammen – Baustein für Baustein.

Zwei Arten dieser Ribosomen gibt es in Zellen von Menschen und anderen Säugetieren: die „normalen“ Ribosomen, welche in der Zelle in großer Zahl vorkommen, sowie die weniger zahlreichen und in der Struktur unterschiedlichen Ribosomen in den Mitochondrien. Das sind Zellkompartimente, die auch als „Kraftwerken der Zelle“ bezeichnet werden, weil sie die Energie für alle Zellprozesse liefern.

Die dreidimensionale Struktur der mitochondriellen Ribosomen im Detail aufzuklären, ist keine einfache Sache. Dies einerseits, weil sie wie alle Ribosomen verhältnismäßig große und komplexe Moleküle sind. Andererseits ist es wegen ihrer geringen Zahl auch sehr schwierig, mitochondrielle Ribosomen in reiner Form zu gewinnen. ETH-Forschenden um Nenad Ban, Professor am Institut für Molekularbiologie und Biophysik, und Ruedi Aebersold, Professor am Institut für Molekulare Systembiologie, ist es vor einem Jahr gelungen, eine sehr detaillierte Struktur einer Untereinheit der mitochondriellen Ribosomen von Säugetieren – genauer: von Schweinen – zu bestimmen. In weiterer Forschungsarbeit, die soeben in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, bestimmte dasselbe Team nun eine dreidimensionale Karte des gesamten mitochondriellen Ribosoms von Schweinen.

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Molekül „in Aktion“
Eine Besonderheit der nun veröffentlichten molekularen Struktur ist, dass sie das Ribosom „in Aktion“ zeigt. So konnten die ETH-Wissenschaftler zusätzlich zum Ribosom auch noch ein daran gebundenes Molekül (eine sogenannte mRNA) kartieren, das die Bauanleitung für ein Protein enthält. Ebenso kartiert sind zwei Moleküle (sogenannte tRNA), welche Protein-Bausteine zum Ribsosom bringen.

Zu ihrem Ziel kamen die Forschenden mit der Kombination von zwei Techniken: der Kryo-Elektronenmikroskopie, bei der eine Probe vor der Untersuchung schockgefroren wird, sowie der Massenspektrometrie. So konnten sie die dreidimensionale Struktur mit einer beispiellos hohen Auflösung von 3,8 Å bestimmen. „Die Kryo-Elektronenmikroskopie wurde in den letzten Jahren stark weiterentwickelt, unter anderem gibt es heute Elektronenmikroskopie-Kameras, welche winzige Bewegungen der Probe, die sonst zu einer Unschärfe führen, ausgleichen können“, wie ETH-Professor Ban erklärt. Die Wissenschaftler führen die Kryo-Elektronenmikroskopie-Experimente am Mikroskopie-Kompetenzzentrum der ETH Zürich (ScopeM) durch.

Die Ribosomen in den Mitochondrien besitzen Ähnlichkeiten mit jenen von Bakterien. Ihre genaue Struktur zu kennen, ist unter anderem für die pharmazeutische Forschung wichtig. Beispielsweise, wenn es darum geht, Antibiotika zu entwickeln, welche die Ribosomen von Bakterien angreifen und die Mikroorganismen damit in Schach halten, in den Mitochondrien von Menschen aber zu keinen unerwünschten Nebenwirkungen führen.

Fabio Bergamin, ETH Zürich

Literaturhinweis:
Greber BJ, Bieri P, Leibundgut M, Leitner A, Aebersold R, Boehringer D, Ban N: The complete structure of the 55S mammalian mitochondrial ribosome. Science, 2. April 2015, DOI: 10.1126/science.aaa3872.

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