Nanopumpe mit chemischem Schalter

Energieliefernde Bausteine sind grundlegend, um molekulare Systeme anzutreiben. Lichtgetriebene Protonen­pumpen wie das Membran­protein Proteo­rhodopsin stellen dabei sehr geeignete Nano­maschinen für eine effiziente Energie­umwandlung dar. Lichtenergie ist leicht zugänglich und wird von Proteo­rhodopsin genutzt, um ein Konzentrations­gefälle an Protonen über Membranen, die zwei unterschiedliche Kompartimente voneinander trennen, aufzubauen. Dieser Protonen­gradient kann molekulare Bausteine, zum Beispiel protonen­getriebene Transporter, in Gang setzen.

Konventionelle Methoden, um Proteorhodopsin und Membranproteine im Allgemeinen in Nanocontainer aus Lipid oder Polymer einzubauen, führen zu einer symmetrischen Anordnung in den Membranen. Dies wiederum verursacht einen funktionellen Kurzschluss, der ein Gefälle von Protonen und somit eine Nutzung dieser Energieform verhindert.

Deshalb haben Forscher aus der Gruppe um Dimitrios Fotiadis von der Universität Bern, insbesondere Daniel Harder und Stephan Hirschi, zusammen mit Kollegen aus dem Schweizer Nationalen Forschungs­schwerpunkt „Molecular Systems Engineering” dieses Problem gelöst, indem sie einen chemischen Schalter für Proteo­rhodopsin entwickelt und es somit vielseitig einsetzbar gemacht haben. Dank diesem chemischen Schalter ist es nun möglich, falsch eingebaute Proteo­rhodopsin-Moleküle gezielt auszuschalten und eine asymmetrische Verteilung dieser Proteine in der Membran zu erreichen.

Diese modifizierte Version von Proteorhodopsin stellt die erste licht­getriebene Protonen­pumpe und den ersten energie­liefernden Baustein dar, der chemisch an- und ausgeschaltet werden kann, je nach Bedarf des jeweiligen molekularen Systems. „Mögliche Anwendungen dieses vielseitigen, energie­liefernden Bausteins in definierten molekularen Systemen könnte die licht- und solar­getriebene Produktion von ATP sein, sowie der bionano­technologische Abbau von Schadstoffen – beispielsweise Anti­biotika – im Wasser”, sagt Fotiadis.

U. Bern / DE