Kryo-Elektronenmikroskopie

Strukturuntersuchung an pflanzlichem Enzymkomplex

Die Arbeitsgruppe von Dr. Jennifer Senkler und Prof. Hans-Peter Braun vom Institut für Pflanzengenetik der Leibniz Universität Hannover (LUH) hat ein zentrales Enzym des Pflanzenstoffwechsels auf atomarer Ebene untersucht. Mit Hilfe des verwendeten bildgebenden Verfahrens wollten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehr Erkenntnisse über die genaue Funktionsweise der pflanzlichen Zellatmung gewinnen.

Das Projekt entstand im Rahmen einer Kooperation mit Niklas Klusch, Dr. Özkan Yildiz und Prof. Werner Kühlbrandt vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt. Im Fokus stand die Frage, auf welche Weise Pflanzen regulieren können, dass stets die richtige Menge der energiereichen Verbindung Adenosintriphosphat (ATP) zur Verfügung steht, durch die ihr Stoffwechsel angetrieben wird. Pflanzen stellen mithilfe der Photosynthese Zucker her. Etwa die Hälfte dieses gebildeten Zuckers verwenden sie, um im Zuge der Zellatmung die Verbindung ATP zu bilden. Wie genau die Regulierung der Menge an ATP funktioniert, ist bisher unbekannt. Durch die bildgebende Darstellung konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun die atomare Struktur eines Schlüsselenzyms der Zellatmung, die mitochondriale NADH-Dehydrogenase, näher klären.

Atomares Modell und funktionelle Bereiche des Komplex I der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. © LUH

Dieser sogenannte Komplex I, der auch in den Mitochondrien von Tier und Mensch vorkommt, besteht aus zwei großen „Armen“, die zu einer L-Form zusammengesetzt sind. Man nimmt an, dass die Aktivität dieses Enzymkomplexes durch eine kleine Veränderung des Winkels zwischen den beiden Armen reguliert wird. Das Forscherteam hat durch die Darstellung auf atomarer Ebene eine schmale Proteinbrücke entdeckt, die die beiden Arme des Komplex I diagonal verbindet und so vermutlich eine Feinjustierung ihrer Orientierung zueinander erlaubt. Die Pflanzenforscher gehen davon aus, dass der Brücke eine wichtige Rolle zukommt, um die Aktivität des Komplex I und damit indirekt die Menge ATP, die im Zuge der pflanzlichen Zellatmung gebildet wird, zu regulieren.

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„Für dieses Projekt konnten wir das Kryo-Elektronenmikroskop unserer Kooperationspartner in Frankfurt nutzen“, erläutert Prof. Dr. Hans-Peter Braun. „Man kann es vielleicht mit neuen Fernrohren vergleichen, mit denen man plötzlich etwas im Weltraum sehen kann, was vorher komplett verborgen war“, sagt Braun. „Alle Forschergruppen wollen natürlich ‚ihre‘ Enzyme sehen.“ Die Leistungsfähigkeit der Elektronen-Kryomikroskopie konnte in jüngster Zeit mittels neuer Kameratechnologie und Bildverarbeitungs-Software deutlich gesteigert werden. Die Kooperationspartner vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt waren an der Entwicklung und Optimierung dieser Methode maßgeblich beteiligt. Mit dieser Technologie könnten nun molekularbiologische Vorgänge detaillierter mit atomarer Auflösung untersucht werden.

In Hannover erfolgte zunächst die Aufreinigung des Enzymkomplexes aus der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. In Frankfurt wurden dann schockgefrorene Präparate des Proteinkomplexes im Elektronenmikroskop analysiert. Dabei nahm eine automatisierte Kamera hunderttausende Bilder von Komplex-I-Partikeln auf, die nachfolgend im Computer analysiert wurden und zu einem nahezu vollständigen atomaren Modell des pflanzlichen Komplex I führten.

Publikation:
Klusch, N., Senkler, S., Yildiz, Ö., Kühlbrandt, W. & Braun, H.P. (2021): A ferredoxin bridge connects the two arms of plant mitochondrial complex I. The Plant Cell, June 2021; https://doi.org/10.1093/plcell/koab092

Quelle: Leibniz Universität Hannover

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