Transport großer Proteine durch Membranen So geht bei Bakterien ein Kamel durch ein Nadelöhr

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Membranen trennen Zellen einerseits von ihrer Umgebung, andererseits lassen sie zahlreiche Moleküle hindurch, etwa Proteine. Wie das mit großen, bereits fertig gefalteten Proteinen gelingt, haben nun Forscher mithilfe von Kryo-Elektronenmikroskopie analysiert.

Schon in der Schule erfährt man die wichtigsten Aspekte der Biologie, darunter auch jenes zentrale Dogma: Aus DNA wird RNA und daraus wiederum Proteine. Diese Proteine übernehmen im Körper zahllose lebenswichtige Aufgaben – doch dazu müssen sie in der Zelle oft zu einem anderen Ort transportiert werden und Membranen passieren.

Professor Leonid Sazanov und Postdoc Ziyu Zhao vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) zeigen nun, wie das Tat-System (twin-arginine translocase) sperrige Proteine durch Membranen hindurch transportiert.

Biomolekulare Motoren: Winzig, aber unverzichtbar für die Zelle

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Das mysteriöse Tat-System

In einer Zelle befinden sich viele unterschiedliche „Räume“ – mit Membranen abgegrenzte Organelle. Proteine müssen diese Membranen passieren können. In den meisten Zellen funktioniert das am häufigsten durch das Sec-System, bei dem noch nicht fertig gefaltete Proteine einfach durchgezogen werden können wie ein Seil durch ein Loch.

Weitaus schwieriger ist es für Proteine, die ihre finale Faltung schon erreicht haben und trotzdem durch solche Barrieren transferiert werden müssen. Die Fracht ist in diesem Fall deutlich größer und sperriger, kann also nicht einfach durchgezogen werden.

In Bakterien und Chloroplasten beispielsweise gibt es für genau dieses Problem das so genannte Tat-System. Zwar ist in Fachkreisen bekannt, dass es in E. coli aus drei verschiedenen Bausteinen besteht (TatA, TatB und TatC), jedoch war bisher unklar, wie das zusammengebaute Tat-System aussieht und vor allem wie es so problemlos große Proteine durch Membranen durchschleusen kann.

Eiskalte Strukturanalyse

Sazanov und Zhao wollten genau verstehen, wie diese molekulare „Schleuse“ aussieht – und wie sie es schafft, ihre sperrige Fracht unbeschadet durch die Membran zu befördern. Um das herauszufinden, isolierte Zhao den Tat-Komplex in vivo aus E. coli.

„Das war kein einfaches Unterfangen, da dieser Proteinkomplex sehr instabil ist. Erst als ich sowohl Tat-Bausteine als auch das zu transportierende Protein in den Bakterien co-exprimierte, war der Komplex haltbar genug, dass ich es aus den Bakterien isolieren konnte und ihn mit Kryo-EM visualisieren konnte“, erklärt Zhao.

Der Tat-Komplex mit dessen Fracht wurde anschließend auf ein Elektronenmikroskop-Gitter aufgetragen und zügig in Kryogen eingetaucht. Durch die schnelle Abkühlung vitrifiziert das Wasser in der Probe, d. h. es nimmt eine glasartige Form an, anstatt Eiskristalle zu bilden. In diesem Zustand bleiben die feinen strukturellen Details der Probe erhalten. Schließlich wurde das Tat-System mit einem Kryo-Elektronenmikroskop (Kryo-EM) visualisiert – eine Art Mikroskop, das detailreiche Bilder von Proteinen mit einer Auflösung von 2 bis 3 Ångström liefert, welche zur Bestimmung von atomaren Strukturen erforderlich ist.

Ein Blick ins Innere der „Schleuse“

Die Rekonstruktion der Strukturen in 3D ergab schließlich folgendes Bild: Der Tat-Komplex besteht aus drei TatB/C Bausteinen, welche gemeinsam als Ganzes in einer der zu passierenden Membranen schweben. Laut Sazanov sei die Form aber äußerst ungewöhnlich. „Der Tat-Komplex erinnert an eine offene Schüssel mit einem sehr dünnen Boden“, erklärt der Biochemiker.

Interessanterweise berührt dabei das Fracht-Protein die Schüssel an den Tat B/C Bausteinen an zwei Stellen. Die erste Stelle erkennt das bestimmte Signal am Fracht-Protein und fixiert dieses wie ein Kleber. Die zweite Bindungsstelle ist laut den Wissenschaftlern vermutlich eine Art Kontrollpunkt, an dem eruiert wird, ob das Fracht-Protein richtig gefaltet ist.

Außerdem ließ sich durch die Rekonstruktion erkennen, dass der Tat-Komplex potenziell auch eine Pore besitzt, die geöffnet und verschlossen werden kann. Laut Sazanov und Zhao öffnete sich diese Pore wie ein Tor, nachdem das Fracht-Protein angedockt ist und kontrolliert wurde. Dadurch wird es durch die Membran geführt. Wie genau das funktioniert, ist aber noch Spekulation und Teil Zhaos weiterer Forschung.

Für Medikamente in der Zukunft

Das Tat-System kommt nicht in Menschen vor, deswegen eignet es sich als zukünftiges potenzielles Werkzeug für medikamentöse Intervention. In Bakterien beispielsweise ist das System essenziell für deren metabolische Prozesse und Virulenz – deren Aggressivität, wie effektiv sie Infektionen verursachen. Je mehr Details man über die Tat-Bausteine erfährt, desto mehr Möglichkeiten ergeben sich in Zukunft, gezielt gegen diese für schädliche Bakterien lebensnotwendigen Prozesse vorzugehen.

Originalpublikation: Ziyu Zhao & Leonid Sazanov: Structure of E. coli twin-arginine translocase (Tat) complex with bound cargo. Molecular Cell (2026); DOI: 10.1016/j.molcel.2026.05.026

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