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Proteine sind Teamplayer: Um ihre Aufgabe zu meistern, müssen sie sich oft zu präzisen Protein­komplexen zusammenfügen. Diese Komplexe können jedoch dynamisch und kurzlebig sein, wobei Proteine zusammen­kommen, sich aber bald darauf wieder trennen. In einer neuen Arbeit zeigen Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbst­organisation, der Universität Oxford und der Sorbonne Université, wie die Wirkung des Auf- und Abbaus von Protein­komplexen an einem „sweet spot“ die Protein­funktion begünstigen kann.
 

Wenn ein Protein seine Funktion nur innerhalb eines Proteinkomplexes erfüllen kann, was ist dann der Vorteil des Auseinandergehens? Dies ist die Schlüsselfrage, die Jaime Agudo-Canalejo, Pierre Illien und Ramin Golestanian untersucht haben. Die Forscher haben festgestellt, dass Proteine, um ihre Funktion erfüllen zu können, zuerst durch stochastische Bewegung ihr Ziel finden müssen. Im Falle eines Enzyms etwa, das die chemische Umwandlung eines Substrat­moleküls in ein Produktmolekül katalysiert, muss das Enzym zuvor das Substrat finden. „Die grundlegende Beobachtung zeigt, dass die einzelnen Proteine, die einen Komplex bilden, sich allein schneller bewegen können als in einem sperrigen Verbund. Daher kann die Zeit, bis sie ihr Ziel erreichen, kürzer sein, wenn sie unabhängig sind. Ihre Funktion können sie jedoch nur dann erfüllen, wenn die Proteine, sobald sie sich in der Nähe des Ziels befinden, den benötigten Komplex wieder schnell genug bilden“, sagt Ramin Golestanian, Direktor der Abteilung Physik lebender Materie am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbst­organisation.

Um die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Effekten zu verstehen, haben die Forscher ein mathematisches Modell entwickelt, das die Diffusion der Proteine, den Auf- und Abbau von Protein­komplexen sowie die Reaktion mit den Zielmolekülen berücksichtigt. Überraschender­weise fanden sie heraus, dass ein „sweet spot“ in der Protein­konzentration existiert. „Wenn es zu wenige Proteine gibt, befinden sie sich größtenteils im dissoziierten Zustand und sind somit schnell, aber nicht funktionsfähig. Gibt es zu viele Proteine, bilden die meisten von ihnen Proteinkomplexe und sind daher funktions­fähig, aber langsam. Bei mittleren Konzentrationen bauen sich Protein­komplexe hingegen oft genug ab, um eine schnelle Bewegung zu ermöglichen, formen sich aber oft genug wieder, um funktions­fähig zu sein“, erklärt Jaime Agudo-Canalejo, der Erstautor der Studie. „Die Protein­menge muss gerade richtig sein, eben ein gesundes Mittelmaß“, fügt er hinzu.

Die Bedingungen im Zellinneren sind alles andere als homogen und bestimmte Moleküle können zu einem gegebenen Zeitpunkt in verschiedenen Bereichen der Zelle mehr oder weniger reichlich vorhanden sein. Insbesondere Inhibitor­moleküle, die den Abbau von Protein­komplexen fördern, können sich in einer bestimmten Region konzentrieren. Wie ist in einer solchen Situation die erwartete Verteilung von Protein­komplexen innerhalb der Zelle? Mit Hilfe ihres mathematischen Modells haben die Forscher heraus­gefunden, dass die Proteine dazu neigen, sich spontan in den Regionen anzusammeln, in denen ihre Komplexform am stabilsten ist. Dieses eindeutig aus dem Nichtgleichgewichtszustand resultierende Phänomen, haben sie als „Stabilitaxis“ bezeichnet. Golestanian argumentiert: „Stabilitaxis könnte ein generischer Mechanismus sein, den Zellen nutzen, um als Reaktion auf Gradienten in der Konzentration eines anderen Moleküls, räumliche Muster in der Verteilung von Proteinen zu erzeugen.“ Agudo-Canalejo ergänzt: „Der gleiche Mechanismus könnte bei der Entwicklung von synthetischen Materialien, die auf externe Stimuli reagieren, genutzt werden, zum Beispiel durch Verwendung von Kolloiden, die mit licht­aktivierten Linkern beschichtet sind." Dieses erachten die Autoren als einen besonders spannenden Aspekt dieser Forschungsarbeit: Sie ermöglicht es ihnen, sowohl komplizierte Mechanismen bei der Selbst­organisation in biologischen Systemen aufzudecken, als auch Strategien für technische Anwendungen anzubieten. 

MPIDS / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Agudo-Canalejo et al.: Cooperatively enhanced reactivity and “stabilitaxis” of dissociating oligomeric proteins, PNAS, online 15. Mai 2020; DOI: 10.1073/pnas.1919635117
• Chemically active soft matter (J. Agudo-Canalejo), Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen