Energietransport in Proteinen

Proteine sind für alle wichtigen Prozesse in einer Zelle und in unserem Körper verantwortlich. Dazu benötigen sie Energie. Wie diese Energie innerhalb eines Proteins transportiert wird, ist noch unbekannt und wird von einer jungen Forscherin am Physikalisch-chemischen Institut der Universität Zürich untersucht. Unterstützt wird sie dabei vom Forschungskredit der Universität Zürich.

Petra Bättig-Frey

Laser sind das Hauptwerkzeug der jungen Postdoktorandin Ellen Backus. Mit kurzen, aber sehr intensiven Laserpulsen will sie den Transport der Schwingungsenergie in Proteinen aufklären. Man geht heute davon aus, dass die Energie vor allem in den Helix-Strukturen der Proteine transportiert wird, über so genannte Wasserstoffbrücken. Diese befinden sich zwischen den einzelnen Windungen der Helix und verleihen ihr Stabilität. Wie der Energietransport genau stattfindet, ist noch offen. Dies will Ellen Backus aus der Gruppe von Professor Peter Hamm am Physikalisch-chemischen Institut der Universität Zürich mit ihren Lasern nun herausfinden.

Das Modell des künstlichen Proteins, welches Ellen Backus für ihre Messungen benutzt: Der Chromophor nimmt die Energie auf und leitet sie an die anschliessenden Aminosäuren weiter. Zwischen den Windungen der Helix bestehen Wasserstoffbrücken. (Bild: zVg.)

Proteinmodell

Dafür hat sich die Gruppe ein einfaches Modell ausgedacht: An eine einzelne Helix aus nur wenigen Aminosäuren (den Bausteinen eines Proteins) wird vorne ein Chromophor angehängt. Dieser kann mit Licht angeregt werden und die aufgenommene Energie in Form von Schwingungen an die anschliessenden Aminosäuren weitergeben. In gewissen Abständen sind «Energiemesser» in die Helix integriert: «schwere» Kohlenstoffatome, welche gezielt in die Aminosäuren eingebaut werden und damit das Schwingungsverhalten leicht verändern.

Die Proteine werden in Zusammenarbeit mit einer italienischen Gruppe unter Professor Toniolo hergestellt, welcher sich auf die für die Messungen nötigen, sehr stabilen Protein-Helices spezialisiert hat. Die Proteine selbst bereiten also kein Kopfzerbrechen, diese werden einfach fertig angeliefert. Erst danach ist Ellen Backus gefordert: Wie viel Proteinlösung braucht es pro Messung, bei welcher Wellenlänge soll gemessen werden usw. Dies konnte die Forscherin mit ihrem Kollegen in ersten Versuchen nun etablieren.

Präzisionsarbeit mit dem Laser

An einem Lasertisch voller kleiner Spiegel, Linsen und weiteren Geräten teilt die Forscherin den Laserstrahl für die Messung in zwei Teile – ein erster Strahl regt den Chromophor an und schickt so Energie in das Protein, der zweite Strahl, welcher kurz später auf die Proteinlösung trifft, dient als Messstrahl. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Laserstrahlen wird ganz einfach durch einen längeren Weg des Lichtes erreicht. Der Messstrahl regt die Aminosäuren zum Schwingen an. Da sich diese Schwingungen je nach Energiemenge leicht ändern, wird der Transport der Energie im Protein sichtbar. Und da eine einzelne Aminosäure wegen des «schweren» Kohlenstoffs nun leicht anders «schwingt», kann Ellen Backus genau bestimmen, wann die Energie an dieser Stelle vorbei kommt.

Gemessen wird mit einem Spektrometer. So kann die Wissenschaftlerin verfolgen, wann die Energie direkt beim Energiemesser ist. Zugleich lässt sich ablesen, wie stark die Energie dort noch ist. Indem Backus nun nacheinander Proteine mit Energiemessern an verschiedenen Stellen untersucht, kann der Transport der Schwingungsenergie im Protein genau aufgezeichnet werden.

Mit Hilfe diverser Spiegel und Linsen, stellt Ellen Backus den Laser für ihre Messungen ein. (Bild: Petra Bättig)

 

Das tönt eigentlich ganz einfach und logisch, nur dass die Energiemesser im Nanometer-Abstand angebracht werden, also nur etwa einen Millionstel Millimeter vom Chromophor entfernt sind. Noch kleiner ist die Zeit zwischen den Laserpulsen, welche den Chromophor anregen und den Energietransport messen: Diese sind nur Femtosekunden bis Picosekunden auseinander. Zur Verdeutlichung: Eine Femtosekunde zu einer Sekunde verhält sich gleich wie eine Sekunde zu 30 Millionen Jahren! Messungen in diesen Grössenordnungen sind kaum vorstellbar. «Das ist eben das Spannende an diesem Projekt. Hier bin ich als Wissenschafterin gefordert!», sagt Ellen Backus begeistert.

Unerwartete Resultate

Erste Messungen hat die Forscherin bereits abgeschlossen. Nach etlichen Wochen im Labor ist sie nun dabei, die gesammelten Daten zu analysieren und die weiteren Schritte zu planen. Noch geht viel Energie an die Umgebung verloren und wird nicht weitergeleitet, die Energie wird sehr bald zu schwach für genaue Messungen. «Vielleicht wird das Protein wegen der Anregung mit dem Laser kurzfristig deformiert», vermutet die Forscherin. In Zukunft möchte Ellen Backus deshalb ihre Messungen mit weniger Energie machen und die Probe vielleicht etwas kühlen.

Die Holländerin Ellen Backus arbeitet in der Gruppe von Professor Peter Hamm, am Physikalisch-chemischen Institut der Universität Zürich. (Bild: Petra Bättig)

Sie ist froh, dass der Forschungskredit es ihr ermöglicht, dieses Projekt weiterzuverfolgen. Vor allem, weil ihre ersten Resultate ein überraschendes Bild zeigen: Es sieht fast so aus, als ob die Energie nicht wie erwartet die Abkürzung über die Wasserstoffbrücken nähme, sondern den längeren Weg durch die Helix selber. Ob dies tatsächlich so ist, sollen weitere Lasermessungen zeigen.

Petra Bättig-Frey ist Projektleiterin bei Life Science Zurich

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