Den Bau­plä­nen der Evo­lu­ti­on auf der Spur: Deutsch-israe­li­sches Pro­te­in-For­schungs­pro­jekt der Uni­ver­si­tät Bayreuth

Symbolbild Bildung
Prof. Dr. Birte Höcker, © Joerg Abendroth

Prof. Dr. Bir­te Höcker, © Joerg Abendroth

Zum 1. Janu­ar 2019 star­te­te an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ein deutsch-israe­li­sches Pro­jekt zur Pro­te­in­for­schung, das den mole­ku­la­ren Bau­plä­nen der Evo­lu­ti­on auf die Spur kom­men will. Die Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­ler koope­rie­ren dabei mit dem Max-Planck-Insti­tut (MPI) für Ent­wick­lungs­bio­lo­gie in Tübin­gen sowie mit drei For­schungs­part­nern in Isra­el: dem Weiz­mann-Insti­tut in Reho­vot, der Uni­ver­si­tät Hai­fa und der Uni­ver­si­tät Tel Aviv. Die Volks­wa­gen-Stif­tung för­dert das Vor­ha­ben in den näch­sten vier Jah­ren mit ins­ge­samt 1,5 Mil­lio­nen Euro.

„Die bio­che­mi­sche For­schung wird mit die­sem Pro­jekt zu einer ‚Archäo­lo­gie des Lebens‘“, sagt Prof. Dr. Bir­te Höcker, Lehr­stuhl für Bio­che­mie, die das Vor­ha­ben an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth koor­di­niert. Zugleich betont sie, dass es dabei nicht allein um den Blick zurück ins Labo­ra­to­ri­um der Evo­lu­ti­on geht, son­dern auch um Per­spek­ti­ven für die Zukunft. „Wenn man weiß, wie das Prin­zip der Neu­ver­wer­tung zu neu­en Pro­te­in­funk­tio­nen geführt hat, las­sen sich die­se Erkennt­nis­se auf das geziel­te Design funk­tio­na­ler Pro­te­ine und Pro­te­in­sy­ste­me anwen­den. Die­se bio­tech­no­lo­gi­schen Inno­va­tio­nen kön­nen bei­spiels­wei­se der Bio­me­di­zin oder der Land­wirt­schaft zugu­te­kom­men und ins­ge­samt das Leben auf der Erde ver­bes­sern hel­fen. Wir freu­en uns auf das von der Volks­wa­gen-Stif­tung geför­der­te Vor­ha­ben, ins­be­son­de­re auf die Koope­ra­ti­on mit unse­ren israe­li­schen Part­nern, die in der Pro­te­in­for­schung inter­na­tio­nal füh­rend sind“, erklärt Höcker. Für ein fach­lich ver­wand­tes For­schungs­pro­jekt ist die Bay­reu­ther Bio­che­mi­ke­rin vom Euro­päi­schen For­schungs­rat bereits mit einem ERC Con­so­li­da­tor Grant aus­ge­zeich­net worden.

Seit ihrem Ursprung vor etwa 3,7 Mil­li­ar­den Jah­ren sind Pro­te­ine die Schlüs­sel­ele­men­te des Lebens. Sie über­neh­men im Orga­nis­mus aller Lebe­we­sen die ver­schie­den­sten lebens­wich­ti­gen Funk­tio­nen, zum Bei­spiel bei Stoff­wech­sel­vor­gän­gen, Mus­kel­be­we­gun­gen, Immun­re­ak­tio­nen oder der Fort­pflan­zung. Alle Pro­te­ine bestehen aus mit­ein­an­der ver­knüpf­ten Ami­no­säu­ren und fal­ten sich in die unter­schied­lich­sten drei­di­men­sio­na­len Struk­tu­ren. Bei der Erfor­schung der Fra­ge, wie sich Pro­te­ine im Ver­lauf der Evo­lu­ti­on her­aus­ge­bil­det haben, kön­nen die Pro­jekt­part­ner an die in der For­schung unstrit­ti­ge Erkennt­nis anknüp­fen, dass die Natur bei der Ent­wick­lung neu­er Pro­te­ine schon vor­han­de­ne Bau­stei­ne wie­der­ver­wen­det. Bei die­sen Bau­stei­nen han­delt es sich um Pro­te­in­seg­men­te, die in neue Pro­te­ine ein­ge­baut wer­den und hier – in Kom­bi­na­ti­on mit wei­te­ren Pro­te­in­seg­men­ten – ganz neue Funk­tio­nen über­neh­men kön­nen. Die Pro­te­in­seg­men­te, die in allen Orga­nis­men eine beson­ders pro­mi­nen­te Rol­le spie­len, hei­ßen Domä­nen. Es gibt sie in sehr unter­schied­li­chen Zusam­men­set­zun­gen und Fal­tungs­struk­tu­ren, in den mei­sten Fäl­len ent­hal­ten sie zwi­schen 100 und 200 Aminosäuren.

Ein For­schungs­team am Lehr­stuhl für Bio­che­mie der Uni­ver­si­tät Bay­reuth und am MPI für Ent­wick­lungs­bio­lo­gie in Tübin­gen hat nun bei Ana­ly­sen die­ser Zusam­men­set­zun­gen und Fal­tungs­struk­tu­ren eine fas­zi­nie­ren­de Ent­deckung gemacht: Domä­nen in Pro­te­inen heu­te leben­der Orga­nis­men ent­hal­ten Hin­wei­se dar­auf, wie sie und auch klei­ne­re Seg­men­te in frü­he­ren Sta­di­en der Evo­lu­ti­on ver­wen­det wur­den. Genau die­se Indi­zi­en sol­len in dem neu­en deutsch-israe­li­schen Ver­bund­pro­jekt syste­ma­tisch auf­ge­spürt und aus­ge­wer­tet wer­den. Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen auf lei­stungs­star­ken Rech­nern, die mög­li­che Sze­na­ri­en der Pro­te­in­ent­wick­lung rekon­stru­ie­ren und ver­glei­chen kön­nen, wer­den dabei ein wich­ti­ges Instru­ment der For­schung sein. Auf die­se Wei­se wol­len die Wis­sen­schaft­ler den Mecha­nis­men auf die Spur kom­men, wel­che die Her­aus­bil­dung neu­er Pro­te­ine – und damit die Ent­ste­hung neu­er Funk­tio­na­li­tä­ten – gesteu­ert und vor­an­ge­trie­ben haben.

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