Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Unge­wöhn­li­che Pro­te­in­struk­tu­ren machen Bak­te­ri­en hitzebeständig

Symbolbild Bildung

Bei Dau­er­tem­pe­ra­tu­ren von mehr als 80 Grad Cel­si­us haben die mei­sten auf der Erde leben­den Orga­nis­men kei­ne Über­le­bens­chan­ce. Ther­mo­to­ga mari­ti­ma jedoch ist ein Bak­te­ri­um, das sich dem Wachs­tum in hei­ßen Quel­len und in vul­ka­ni­schem Gestein sehr gut ange­passt hat. Damit Bak­te­ri­en unter die­sen Bedin­gun­gen leben kön­nen, müs­sen ihre Pro­te­ine sehr tem­pe­ra­tur­sta­bil sein. Die erhöh­te Sta­bi­li­tät des Pro­te­ins NusG aus Ther­mo­to­ga mari­ti­ma zum Bei­spiel kann durch das unge­wöhn­li­che Wech­sel­spiel ein­zel­ner Struk­tur­ele­men­te erklärt wer­den. Dar­über berich­tet ein For­schungs­team unter der Lei­tung von Prof. Dr. Paul Rösch, Lehr­stuhl Bio­po­ly­me­re der Uni­ver­si­tät Bay­reuth, in der Zeit­schrift „Struc­tu­re“.

Funk­ti­ons­un­tüch­tig, aber sta­bil: NusG-Mole­kü­le im geschlos­se­nen Zustand

Pro­te­ine vom Typ des bak­te­ri­el­len NusG über­neh­men, soweit bekannt, in vie­len Orga­nis­men lebens­wich­ti­ge Steue­rungs­funk­tio­nen. NusG-Pro­te­ine sind ent­schei­dend an der Genex­pres­si­on betei­ligt, ins­be­son­de­re am Vor­gang der Tran­skrip­ti­on, bei dem die in der DNA ent­hal­te­ne Erb­infor­ma­ti­on in RNA umge­schrie­ben wird. Hier hat NusG die Auf­ga­be, ver­schie­de­ne wei­te­re Pro­te­ine mit dem Enzym RNA-Poly­me­ra­se zu ver­knüp­fen. Oft besteht NusG aus zwei klar unter­scheid­ba­ren räum­lich struk­tu­rier­ten Ein­hei­ten, der ami­no- und der car­b­oxy­ter­mi­na­len Domä­ne. Wie bei frü­he­ren For­schungs­ar­bei­ten beob­ach­tet wer­den konn­te, tre­ten in vie­len Bak­te­ri­en­ar­ten die­se Domä­nen nicht mit­ein­an­der in Kon­takt. Dadurch ist gewähr­lei­stet, dass sie sich bei der Erfül­lung ihrer spe­zi­fi­schen Funk­tio­nen nicht behindern.

Anders ver­hält es sich jedoch bei der Bak­te­ri­en­art Ther­mo­to­ga mari­ti­ma. Wie die Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­ler zusam­men mit Kol­le­gen an der Frei­en Uni­ver­si­tät Ber­lin und der Colum­bia Uni­ver­si­ty, New York, fest­ge­stellt haben, hat das Pro­te­in NusG in die­sen Bak­te­ri­en zumeist eine geschlos­se­ne Struk­tur, das heißt, die zwei Domä­nen lie­gen fast immer eng bei­ein­an­der. Dies hat zur Fol­ge, dass aus­ge­rech­net die­je­ni­gen Berei­che, die mit ande­ren Pro­te­inen wech­sel­wir­ken kön­nen, sich gegen­sei­tig ver­decken. In die­ser Struk­tur ist kei­ne der bei­den Domä­nen imstan­de, an lebens­wich­ti­gen Pro­zes­sen der Genex­pres­si­on teil­zu­neh­men. Das Pro­te­in NusG macht sich mit­hin selbst funk­ti­ons­un­tüch­tig, ein Zustand, den die For­schung als Auto­in­hi­bi­ti­on bezeich­net. Und doch hat die­se Struk­tur für das Bak­te­ri­um einen wesent­li­chen Vor­teil: Sie erhöht die Sta­bi­li­tät des Pro­te­ins und bewirkt, dass es hohen Tem­pe­ra­tu­ren stand­hal­ten kann.

Blitz­schnel­le Struk­tur­wech­sel: Oszil­lie­ren­de NusG-Moleküle

NusG ver­harrt aber nicht in die­ser geschütz­ten Struk­tur. Um wenig­stens kurz­fri­stig aktiv wer­den zu kön­nen, öff­net sich das Pro­te­in. Jetzt haben die bei­den Domä­nen die Bewe­gungs­frei­heit, die sie brau­chen, um mit ande­ren Pro­te­inen in Wech­sel­wir­kung zu tre­ten. Mit NMR-spek­tro­sko­pi­schen Ana­ly­sen an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ist es den For­schern gelun­gen, die­sen Struk­tur­wech­sel zu beob­ach­ten. Ihre Unter­su­chun­gen haben zu dem Ergeb­nis geführt, dass sich jedes NusG-Mole­kül für den win­zi­gen Zeit­raum von 2 Hun­dert­tau­send­stel Sekun­den öff­net. Danach fällt es sofort in den geschlos­se­nen Zustand zurück, in dem es etwa 1 Tau­send­stel Sekun­de lang ver­bleibt. Da sich die­ser Rück­fall in die Inak­ti­vi­tät schnel­ler voll­zieht als die Öff­nung, befin­den sich zu jedem belie­bi­gen Zeit­punkt rund 98 Pro­zent der im Bak­te­ri­um ent­hal­te­nen NusG-Mole­kü­le im geschlos­se­nen Zustand. Nur die rest­li­chen 2 Pro­zent sind geöffnet.

„Das stän­di­ge Oszil­lie­ren zwi­schen zwei ver­schie­de­nen Struk­tu­ren ist ein äußerst unge­wöhn­li­cher Kunst­griff der Natur, durch den gewähr­lei­stet ist, dass die NusG-Mole­kü­le einer­seits sehr hohen Tem­pe­ra­tu­ren stand­hal­ten, ande­rer­seits aber an der Genex­pres­si­on und an wei­te­ren zel­lu­lä­ren Pro­zes­sen mit­wir­ken kön­nen“, erklärt Dr. Kri­sti­an Schwei­mer vom Lehr­stuhl Bio­po­ly­me­re der Uni­ver­si­tät Bay­reuth. „Ein sol­cher blitz­schnel­ler Struk­tur­wech­sel ist bei ähn­li­chen Pro­te­inen der bei Raum­tem­pe­ra­tur leben­den Bak­te­ri­en bis­her nicht beob­ach­tet worden.“

NusG-Pro­te­ine aus hit­ze­be­stän­di­gen Bak­te­ri­en: Untä­tig in nor­ma­len Bakterien

Was geschieht, wenn man E.coli-Bakterien, die am besten bei Kör­per­tem­pe­ra­tur leben, die­se zwi­schen einer offe­nen und einer geschlos­se­nen Struk­tur oszil­lie­ren­den NusG-Pro­te­ine unter­schiebt? Wie die Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­ler her­aus­ge­fun­den haben, ver­hal­ten sich die ein­ge­pflanz­ten Pro­te­ine völ­lig pas­siv. „Die Nei­gung zur Auto­in­hi­bi­ti­on ist offen­bar die Ursa­che dafür, dass die NusG-Pro­te­ine in gewöhn­li­chen Bak­te­ri­en wie E.coli nicht durch NusG-Pro­te­ine aus den hit­ze­be­stän­di­gen Bak­te­ri­en ersetzt wer­den kön­nen“, meint Johan­na Drö­ge­mül­ler M.Sc., die Erst­au­torin des Bei­trags in Structure.

Eine wei­te­re struk­tu­rel­le Besonderheit

Die kri­stal­lo­gra­phi­schen Ana­ly­sen in Ber­lin haben gezeigt, dass das Pro­te­in NusG in den hit­ze­be­stän­di­gen Bak­te­ri­en der Spe­zi­es Ther­mo­to­ga mari­ti­ma noch eine ande­re struk­tu­rel­le Beson­der­heit auf­weist: Die ami­no­termi­na­le Domä­ne ent­hält ihrer­seits eine struk­tu­rel­le Unter­ein­heit. Wel­che Funk­tio­nen die­ses Struk­tur­ele­ment hat, ist bis­her aller­dings noch ungeklärt.

Ver­öf­fent­li­chung:

Drö­ge­mül­ler et al.
An Auto­in­hi­bi­ted Sta­te in the Struc­tu­re of Ther­mo­to­ga mari­ti­ma NusG.
Struc­tu­re 2013, DOI: 10.1016/j.str.2012.12.015

Ansprech­part­ner:

Dr. Kri­sti­an Schweimer
Uni­ver­si­tät Bayreuth
Lehr­stuhl für Biopolymere
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