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Zellmembran Wege durch die Zellmembran – Neue Eigenschaften membrangängiger Peptide charakterisiert

Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

So genannte Cell Penetrating Peptides (CPPs) – kurze eiweißartige Molekülketten – dringen in Zellen ein, doch was sie von gewöhnlichen Peptiden unterscheidet, war bislang weitgehend unbekannt. Ein Kombination aus Experimenten und Simulationen lieferte Forschern des Zentrums für Medizinische Biotechnologie der Universität Duisburg-Essen nun überraschende Erkenntnisse.

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Schematischer Aufbau der Zellmembran (Quelle: uic.edu)
Schematischer Aufbau der Zellmembran (Quelle: uic.edu)

Duisburg, Essen – Um die dünne Zellmembran zu überwinden, nutzen die CPPs unterschiedliche Mechanismen. Beispielsweise Transport-Proteine, die wie Türen in die Membran eingelassen sind und einen geregelten Austausch mit der Umgebung erlauben. CPPs einer anderen Klasse rutschen offenbar „einfach so“ durch, und gerade diese Form elektrisiert die Wissenschaftler: Wie ist es möglich, dass die recht großen Moleküle durch die dichte Hülle schlüpfen? Noch erstaunlicher: die Ketten der zweiten Klasse sind stark elektrisch geladen und man dachte bisher, dass die Zellmembran gerade für solche Moleküle eine besonders hohe Hürde ist.

Atomar aufgelöste Computersimulationen der Peptide

Doch bestimmte Eigenschaften von Peptiden beeinflussen den Vorgang. Dem Team von Wissenschaftlern aus Darmstadt, Berlin, Essen und Stockholm ist es nun gelungen, diese Eigenschaften zu identifizieren. Dazu wurde die Membrangängigkeit verschiedener Peptide gemessen. „Schwierig war, dass es keine experimentellen Methoden gab, um die strukturellen und dynamischen Eigenschaften dieser flexiblen Moleküle mit hoher Auflösung zu charakterisieren“, erklärt Prof. Dr. Daniel Hoffmann aus der Abteilung für Bioinformatik des Zentrums für Medizinische Biotechnologie der Universität Duisburg-Essen. Denn niedriger auflösende Experimente liefern scheinbar widersprüchliche Informationen.

Die Schwierigkeiten wurden überwunden durch atomar aufgelöste Computersimulationen der Peptide in wässriger Lösung. Dabei zeigte sich, dass CPPs mit guter Membrangängigkeit wie molekulare Stachelschweine aussehen, wobei die Spitzen der Stacheln elektrisch geladen sind. Durch diese Erkenntnisse wäre es möglich, CPPs gezielt zu entwerfen. Das ist nicht nur wissenschaftlich interessant, sondern auch für die biotechnologische und medizinische Anwendung: Verknüpft man die CPPs mit Wirkstoffen, können diese in Zellen eingeschleust werden und dort ihre Wirkung entfalten.

Originalpublikation:

Gisela Lättig-Tünnemann, Manuel Prinz, Daniel Hoffmann, Joachim Behlke, Caroline Palm-Apergi, Ingo Morano, Henry D. Herce & M. Cristina Cardoso. Backbone rigidity and static presentation of guanidinium groups increases cellular uptake of arginine-rich cell-penetrating peptides. Nature Communications, Volume: 2, Article number: 453, DOI: doi:10.1038/ncomms1459, Received 27 May 2011,Accepted 27 July 2011, Published 30 August 2011

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