Strukturanalyse

Neue Methoden für die Entschlüsselung von Membranproteinen

Ein Team von Wissenschaftlern aus Jülich, Moskau und Grenoble hat nun zwei neue methodische Ansätze entwickelt, die sowohl die Kristallisierung als auch die spätere Strukturentschlüsselung wesentlich vereinfachen können.

Das Strukturmodell des Membranproteins Bakteriorhodopsin (rot und orange), eingebettet in eine „Nanodisc“. Diese scheibenförmige Miniatur-Membran besteht aus einer Lipid-Doppelschicht (weiß) und einem umgebenden Gerüstprotein (blau, grün, gelb). Im Hintergrund die gewonnenen Proteinkristalle. (Bild: M. Nikolaev)

Hintergrund ihrer Untersuchungen: Membranproteine sind Bestandteile von Zellmembranen, auf denen der Stoffaustausch der Zelle mit ihrer Umwelt und die Verarbeitung von Signalen beruht. Da neue Medikamentenentwicklungen oft zielgenau die Aktivität bestimmter Membranproteine beeinflussen sollen, benötigt die Forschung möglichst genaue Informationen über den Aufbau dieser komplexen Moleküle. Die Entschlüsselung ihrer Struktur mithilfe der Röntgenkristallographie bereitet besondere Probleme. 

Direkte Kristallisation in Nanodisc
Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass sich Membranproteine eingebettet in sogenannten „Nanodiscs“, winzigen künstlichen Scheiben einer zellmembran-ähnlichen Lipid-Doppelschicht, direkt kristallisieren lassen. Die Nanodiscs transportieren die empfindlichen Membranproteine dabei in eine von den Forschern entwickelte dreidimensionale Lipid-Matrix, wo sie sich auflösen. Die Proteine verteilen sich dann in das membranartige Netzwerk und ordnen sich in einer regelmäßigen Kristallgitterstruktur an. Die Publikation wurde für das Coverbild des Fachmagazins Crystal Growth and Design ausgewählt.

Einfacher entschlüsseln
In einer zweiten Studie im Open Access-Journal „Science Advances“ beschreiben die Forscher eine neue Methode, die die Gewinnung von Informationen in den Experimenten vereinfacht. Um Daten in ausreichender Qualität zu erhalten, ist es oft nötig, schwerere Atome in die Kristalle einzubauen, damit sie die Röntgenstrahlen klarer beeinflussen. Für unterschiedliche Membranproteine die korrekten Bedingungen zu finden, war jedoch bisher ein Problem, sodass oft nach Versuch und Irrtum vorgegangen werden musste und aufwändige Zusatzexperimente nötig waren.

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Wie sich nun zeigte, scheint der Einbau von Ionen des Elementes Jod in die Kristalle ein universell einsetzbares Verfahren zu sein. Aufgrund von strukturellen Merkmalen, die allen Membranproteinen gemeinsam sind, lagern sich Jod-Ionen dabei stets an den richtigen Stellen im Molekül an, ohne die Kristallqualität, also die Regelmäßigkeit der Anordnung, zu beeinträchtigen. Damit könnte nun ein Weg gefunden sein, vom Experiment ohne Umwege zur entschlüsselten Struktur zu gelangen.

Originalpublikationen:

M. Nikolaev, E. Round, I. Gushchin, V. Polovinkin, T. Balandin, P. Kuzmichev, V. Shevchenko, V. Borshchevskiy, A. Kuklin, A. Round, F. Bernhard, D. Willbold, G. Büldt, and V. Gordeliy: Integral Membrane Proteins Can Be Crystallized Directly from Nanodiscs. Cryst. Growth Des. (2017) DOI: 0.1021/acs.cgd.6b01631

Igor Melnikov, Vitaly Polovinkin, Kirill Kovalev, Ivan Gushchin, Mikhail Shevtsov, Vitaly Shevchenko, Alexey Mishin, Alexey Alekseev, Francisco Rodriguez-Valera, Valentin Borshchevskiy, Vadim Cherezov, Gordon A. Leonard, Valentin Gordeliy, Alexander Popov: Fast iodide-SAD phasing for high-throughput membrane protein structure determination. Sci. Adv. 2017; 3:e1602952 12 May 2017

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