Artikel

Zellen haben die faszinierende Eigenschaft, ihr Inneres mit Hilfe winziger Proteinmaschinen, so genannter molekularer Motoren, die gerichtete Bewegungen erzeugen, zu organisieren. Die meisten von ihnen nutzen dabei einen üblichen Treibstoff, eine Art chemische Energie namens ATP. Nun haben Forschende des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG), des Exzellenzclusters Physik des Lebens (PoL) und des Biotechnologiezentrums (BIOTEC) der Technischen Universität Dresden (TUD) sowie des National Centre for Biological Sciences (NCBS) in Bengaluru, Indien, ein neuartiges molekulares System entdeckt, das eine alternative chemische Energie nutzt und einen neuartigen Mechanismus einsetzt, um mechanische Arbeit zu verrichten. Durch wiederholtes Zusammenziehen und Ausdehnen funktioniert dieser molekulare Motor ähnlich wie ein klassischer Stirlingmotor und hilft bei der Verteilung von Fracht an membrangebundene Organellen. Es ist der erste Motor, der zwei Komponenten verwendet, zwei Proteine unterschiedlicher Größe, Rab5 und EEA1, und der von GTP anstelle von ATP angetrieben wird. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

Motorproteine sind bemerkenswerte molekulare Maschinen im Inneren der Zelle. Sie wandeln chemische Energie, die in einem Molekül namens ATP gespeichert ist, in mechanische Arbeit um. Das bekannteste Beispiel ist Myosin, das unsere Muskeln bewegt. Fast alle Motorproteine benutzen ATP als Energielieferanten. Nun entdeckte ein interdisziplinäres Team von Zellbiologinnen und Zellbiologen und Biophysikerinnen und Biophysikern aus den Forschungsgruppen der MPI-CBG-Direktoren Marino Zerial und Stephan Grill und ihren Kolleginnen und Kollegen, darunter der PoL- und BIOTEC-Forschungsgruppenleiter Marcus Jahnel, dass das Protein Rab5 ein anderes energiereiches Molekül, genannt GTP, als Treibstoff zur molekularen Krafterzeugung benutzt. Zusätzlich arbeitet Rab5 dabei mit einem weiteren Protein, EEA1, zusammen. Beide Proteine bilden somit einen zuvor unentdeckten Zwei-Komponenten-Motor in der Zelle.

In einer früheren Studie, erforschte das Team bereits das Bindeverhalten von Rab5 zu EEA1. Das EEA1-Protein ist normalweise lang und stäbchenförmig. Wenn nun aber Rab5 and EEA1 bindet, sendet dies eine Botschaft entlang der langgestreckten Struktur von EEA1 und macht dieses flexibel, ähnlich wie Spaghetti beim Kochen weich werden. Diese Flexibilitätsänderung erzeugt eine Kraft, die dann gebundene Cargo-Moleküle in der Zelle bewegen. Nun stellte sich dem Team die Frage, EEA1 durch die Bindung von Rab5 wiederholt zwischen einem starren und einem flexiblen Zustand hin- und herschalten könnte, ähnlich wie bei einer mechanischen Motorbewegung.

Hier kommt die aktuelle Studie ins Spiel, die im Rahmen der Doktorarbeit der beiden Erstautoren der Studie entstanden ist. Joan Antoni Soler aus der Forschungsgruppe von Marino Zerial am MPI-CBG und Anupam Singh aus der Gruppe von Shashi Thutupalli, ein Biophysiker am Simons Centre for the Study of Living Machines am NCBS in Bengaluru, wollten versuchen, diesen Motor experimentell in Aktion zu beobachten.

Anupam Singh verbrachte 2019 drei Monate am MPI-CBG, um die Dynamik des Proteins EEA1 zu untersuchen. „Als ich Joan kennenlernte, erklärte ich ihm die Idee, die Proteindynamik von EEA1 zu messen. Diese Experimente erforderten jedoch spezifische Modifikationen des Proteins mit Fluoreszenzproben, um dessen Flexibilität anhand seiner strukturellen Veränderungen messen zu können“, sagt Anupam. Die Expertise von Joan Antoni Soler auf dem Gebiet der Proteinbiochemie war die perfekte Ergänzung für diese anspruchsvolle Aufgabe. „Ich habe mich sehr gefreut, dass man mit der Charakterisierung des EEA1-Proteins die Frage beantworten könnte, ob EEA1 und Rab5 einen Zwei-Komponenten-Motor bilden, so wie wir zuvor vermutet hatten. Ich erkannte, dass die Schwierigkeiten, die richtigen Moleküle zu erhalten, gelöst werden könnten, indem man das EEA1-Protein so modifiziert, dass Fluorophore an bestimmte Proteinregionen binden können. Diese Modifikation würde es erleichtern, die Struktur des Proteins und die Veränderungen, die bei der Interaktion mit Rab5 auftreten können, zu charakterisieren“, erklärt Joan Antoni.

Mit den geeigneten Proteinmolekülen und der wertvollen Unterstützung von Janelle Lauer, einer leitenden Postdoktorandin in der Forschungsgruppe von Marino Zerial, konnten Joan und Anupam die Dynamik von EEA1 mit den hochentwickelten Laser-Scanning-Mikroskopen der Lichtmikroskopie-Einrichtung am MPI-CBG und am NCBS genau charakterisieren. Erstaunlicherweise entdeckten sie, dass das EEA1-Protein mehrere Male den Übergang von starr zu flexibel und wieder zurück durchlaufen kann, angetrieben allein durch die chemische Energie, die bei seiner Interaktion mit der GTPase Rab5 freigesetzt wird. Diese Experimente zeigten, dass EEA1 und Rab5 einen GTP-gesteuerten Zwei-Komponenten-Motor bilden. Um die Ergebnisse zu interpretieren, entwickelte Marcus Jahnel, einer der korrespondierenden Autoren und Forschungsgruppenleiter am PoL und BIOTEC, ein neues physikalisches Modell, das die Kopplung zwischen chemischen und mechanischen Schritten im Motorzyklus beschreibt. In Zusammenarbeit mit Stephan Grill und Shashi Thutupalli konnten die Biophysikerinnen und Biophysiker auch die thermodynamische Effizienz des neuen Motorsystems berechnen, die mit der konventioneller ATP-getriebener Motorproteine vergleichbar ist.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Proteine EEA1 und Rab5 als molekulares Zwei-Komponenten-Motorsystem zusammenarbeiten, das chemische Energie in mechanische Arbeit umwandeln kann. Dadurch können sie eine aktive mechanische Rolle beim Membrantransport spielen. Es ist möglich, dass der Mechanismus des molekularen Motors, der die Kraft erzeugt, auch bei anderen Molekülen konserviert ist und von verschiedenen anderen zellulären Kompartimenten genutzt wird", fasst Marino Zerial die Studie zusammen. Marcus Jahnel fügt hinzu: „Ich freue mich sehr, dass wir die Idee eines EEA1-Rab5-Motors endlich testen konnten. Es ist großartig, sie durch diese neuen Experimente bestätigt zu sehen. Die meisten molekularen Motoren verwenden einen gängigen zellulären Treibstoff namens ATP. Die kleinen GTPasen verbrauchen einen anderen Treibstoff, GTP, und wurden bisher hauptsächlich als Signalmoleküle betrachtet. Dass sie auch ein molekulares System antreiben können, um Kräfte zu erzeugen und Dinge zu bewegen, wirft ein interessantes neues Licht auf diese reichlich vorhandenen Moleküle.“ Auch Stephan Grill ist begeistert: „Das ist eine neue Klasse von molekularen Motoren! Dieser Motor bewegt sich nicht wie der Kinesin-Motor, der Fracht entlang der Mikrotubuli transportiert, sondern verrichtet seine Arbeit, indem er an seinem Platz bleibt. Er ist ein bisschen wie die Tentakel eines Oktopusses.“

„Das von uns verwendete Modell orientiert sich an dem des klassischen Stirlingmotors. Während der traditionelle Stirling-Motor mechanische Arbeit durch Ausdehnung und Komprimierung von Gas erzeugt, verwendet der beschriebene Zweikomponenten-Motor Proteine als Arbeitsmaterial, wobei eine veränderte Proteinflexibilität zur Krafterzeugung führt. Dieser Mechanismus eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung synthetischer Proteinmotoren“, fügt Shashi Thutupalli hinzu.

Die Autorinnen und Autoren hoffen, dass diese neue interdisziplinäre Studie sowohl in der molekularen Zellbiologie als auch in der Biophysik neue Forschungsansätze ermöglichen könnte.