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Synthetische Biologie Chemischer Schalter für Nano-Pumpe entwickelt

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Synthetische Biologie ist ein aufstrebendes und sich schnell entwickelndes Forschungsfeld im Ingenieurwesen. Berner Forscher haben innerhalb des Nationalen Forschungsschwerpunkts „Molecular Systems Engineering“ einen chemischen Schalter in eine molekulare „Nanomaschine“ eingebaut, die unter anderem synthetische Zellen mit Energie versorgen kann.

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Nanocontainer (orange) mit der modifizierten Version von Proteorhodopsin (rot) ... (Ausschnitt)
Nanocontainer (orange) mit der modifizierten Version von Proteorhodopsin (rot) ... (Ausschnitt)
(Grafik: Dimitrios Fotiadis, Universität Bern)

Bern/Schweiz – Synthetische Biologie ist ein stark interdisziplinäres Forschungsgebiet, das Biologie, Chemie und Physik mit Ingenieurwissenschaften verbindet. Ihr Ziel ist es, sogenannte molekulare Fabriken und synthetische Zellen mit neuen Eigenschaften und Funktionen zu entwickeln, die im Gesundheitswesen, in der Industrie oder in der biologischen und medizinischen Forschung eingesetzt werden sollen.

Solche künstlichen Systeme im Nanometerbereich werden zusammengesetzt, indem bereits existierende oder synthetische „Bausteine“ – zum Beispiel Proteine – kombiniert werden. Die so entstandenen molekularen Systeme bieten zahlreiche Nutzungsmöglichkeiten – zum Beispiel für die Synthese von chemischen Verbindungen, den Abbau von Schadstoffen, der Energieversorgung oder die medizinische Diagnose und Behandlung.

Nanocontainer (orange) mit der modifizierten Version von Proteorhodopsin (rot). Die symmetrische Verteilung der eingebauten Proteorhodopsin-Moleküle (links) verursacht einen «Protonenkurzschluss»: Bei Lichtbestrahlung kann kein Protonen-Gefälle über die Membran aufgebaut werden. Nach dem chemischen Ausschalten der falsch orientierten Proteorhodopsine (rechts) sind die richtig orientierten Moleküle in der Lage, ein Protonengefälle über die Membran aufzubauen (grau) – somit kann die Energie genutzt werden.
Nanocontainer (orange) mit der modifizierten Version von Proteorhodopsin (rot). Die symmetrische Verteilung der eingebauten Proteorhodopsin-Moleküle (links) verursacht einen «Protonenkurzschluss»: Bei Lichtbestrahlung kann kein Protonen-Gefälle über die Membran aufgebaut werden. Nach dem chemischen Ausschalten der falsch orientierten Proteorhodopsine (rechts) sind die richtig orientierten Moleküle in der Lage, ein Protonengefälle über die Membran aufzubauen (grau) – somit kann die Energie genutzt werden.
(Grafik: Dimitrios Fotiadis, Universität Bern)

In diesem Zusammenhang verbindet der Nationale Forschungsschwerpunkt (NFS) „Molecular Systems Engineering“ Schweizer Forschende aus verschiedenen Disziplinen, um gemeinsam Innovationen voranzutreiben und bestehende und künftige Herausforderungen anzugehen. Die Universität Bern ist durch die Gruppe von Prof. Dimitrios Fotiadis vom Institut für Biochemie und Molekulare Medizin vertreten.

Nanomaschinen für die Energieumwandlung

Energieliefernde Bausteine sind grundlegend, um molekulare Systeme anzutreiben. Lichtgetriebene sogenannte Protonenpumpen wie das Membranprotein Proteorhodopsin stellen dabei sehr geeignete Nanomaschinen für eine effiziente Energieumwandlung dar. Lichtenergie, wie etwa Sonnenenergie, ist leicht zugänglich und wird von Proteorhodopsin genutzt, um ein Konzentrationsgefälle an Protonen über Membranen, die zwei unterschiedliche Kompartimente voneinander trennen, aufzubauen. Dieses Gefälle – auch Protonengradient genannt – sorgt dafür, dass molekulare Bausteine, zum Beispiel protonengetriebene Transporter, in Gang gesetzt werden.

Chemischer Schalte vermeidet Kurzschlüsse

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 Fotiadis, insbesondere Dr. Daniel Harder und Stephan Hirschi, zusammen mit Kollegen aus dem NFS MSE 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 (Adenosintriphosphat, der universelle Energieträger in Zellen) sein, sowie der bionanotechnologische Abbau von Schadstoffen – beispielsweise Antibiotika – im Wasser“, sagt Fotiadis.

Originalpublikation: Daniel Harder, Stephan Hirschi, Zöhre Ucurum, Roland Goers, Wolfgang Meier, Daniel J. Müller and Dimitrios Fotiadis: Engineering a Chemical Switch into the Light-driven Proton Pump Proteorhodopsin by Cysteine Mutagenesis and Thiol Modification. Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2016; 55(31): 8846-8849.

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