Das Sonnenlicht einfangen und seine Energie in großem Stil verwerten - an dieser Aufgabe mühen sich Wissenschaftler und Techniker weltweit. Die Natur hat das Pro-blem längst gelöst. Ein urtümliches Bakterium entwickelte wohl die einfachste molekulare Maschine, die Lichtenergie nutzbar macht. Dieser Mikroorganismus, Halobacterium salinarum, fühlt sich in Salzseen wohl (Bild 1). Er verleiht solchen Gewässern eine purpurne Färbung. Was hier rötlich schimmert, ist der Farbstoff Bakteriorhodopsin. Dieses Molekül ist eng verwandt mit dem Sehpurpur in den Zellen unserer Netzhaut. Doch sehen können die Bakterien damit nicht - sie nutzen das farbige Molekül als Energiewandler.

Salinenbecken einer Oase in der Sahara

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In salzhaltigen Gewässern, hier Salinenbecken einer Oase in der Sahara, lebt der Mikroorganismus Halobacterium salinarum. Der in ihm enthaltene Farbstoff Bakteriorhodopsin läßt das Wasser purpurn schimmern und ermöglicht es dem Bakterium, die Energie des Sonnenlichts zu nutzen.

Prof. Georg Büldt, Leiter des Teilinstituts für Biologische Strukturforschung am Institut für Biologische Informationsverarbeitung (IBI) des Forschungszentrums Jülich, erläutert, was es damit auf sich hat: "Trifft ein Photon, also ein Lichtteilchen, auf eines der in Membranen dicht gepackten Bakteriorhodopsin-Moleküle, wird ein Teil dieser Lichtenergie in Bewegung von Ladungsträgern umgesetzt. Der Farbstoff ist eine Art Maschine, die bei Belichtung positiv geladene Wasserstoff-Ionen - auch Protonen genannt - aus dem Zellinneren durch die Plasma- membran pumpt." Das Molekül verliert dabei seine purpurrote Farbe und geht in eine gelbe Form über. Diese wird als M-Zustand bezeichnet. Hat das Bakteriorhodopsin schließlich ein Proton nach außen abgegeben, greift es sich erneut eines aus dem Zellinneren und wird wieder purpurfarbig - das Spiel beginnt von vorn.

Ein Stausee aus Protonen

Durch die Beförderung von positiv geladenen Teilchen nach außen baut sich an der Plasmamembran eine elektrische Spannung auf. Gleichzeitig entsteht ein chemischer Gradient, also ein Gefälle zwischen vielen Protonen an der Außenseite und relativ wenigen an der Innenseite. Strömen die Wasserstoff-Ionen später "bergabwärts" wieder in die Zelle ein, wird die so gespeicherte Energie verfügbar. Wie das aus einem Stausee strömende Wasser die Turbinen eines Kraft-werks antreibt, wird das Protonen-gefälle dabei von anderen Mem-branmolekülen zum Aufbau von Adenosintriphosphat - kurz ATP - genutzt. ATP ist die gängige Energie-"Währung" der Zelle und kann überall dort ausgegeben werden, wo der Organismus gerade biologische Arbeit leistet. Für die Entdeckung dieses allgemeinen Prinzips der Energieumwandlung erhielt der britische Biochemiker Peter Mitchell 1978 den Nobelpreis.

Das Bakteriorhodopsin ist also eine Protonenpumpe, die - mit Lichtenergie betrieben - ein solches Gefälle aufbaut. Die winzige "Maschine" besteht aus zwei Bauteilen: einem Eiweißmolekül und dem hieran gekoppelten Farbstoff Retinal.

Der Bauplan der Pumpe

Bakteriorhodopsins

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Mit sieben spiralförmig gewundenen Abschnitten durchdringt das Bakteriorhodopsin-Molekül die Zellmembran und schafft so einen Kanal, über den Protonen nach außen gepumpt werden.

Der Aufbau des Bakteriorhodopsins wurde erstmals 1975 mit elektronenmikroskopischen Methoden sichtbar gemacht: Jede dieser Eiweißketten besitzt mehrere spiralförmig gewundene Abschnitte, sogenannte a-Helices, die die aus Lipid-molekülen bestehende Zellmembran siebenmal durchqueren (Bild 2). In der nachfolgenden Zeit lieferten Experimente mit Neutronenbeugung immer genauere Informationen über die Struktur dieses Moleküls. Neutronenstrahlen treten bei Annäherung an ein Atom mit dem Atomkern in Wechselwirkung. Je nach Art und Anordnung dieser Hindernisse im Neutronenstrahl entstehen unterschiedliche Streubilder. Sie erlauben dem mit entsprechenden Computerprogrammen ausgestatteten Wissenschaftler Rückschlüsse auf den Aufbau der untersuchten Substanz.

Mit einzelnen Molekülen allerdings lassen sich solche informativen Bilder nicht erzeugen. Dafür benötigen die Wissenschaftler ein ganzes Gitter regelmäßig angeordneter Moleküle. Nicht selten bereitet es erhebliche Probleme, solche geordneten Strukturen herzustellen. Doch Halobacterium salinarum erweist sich hier als sehr "kooperativ": Es enthält das Bakteriorhodopsin bereits in fertigen, zweidimensionalen Gittern, den sogenannten Purpurmembranen. Wie die Zellen einer Bienenwabe sind die Bakter-iorhodopsin-Moleküle darin angeordnet. Diese Membranen werden als dünner Film auf durchsichtige Quarzplättchen aufgebracht. Durch die so beschichteten Plättchen schicken die Wissenschaftler dann einen Neutronenstrahl.

Und es bewegt sich doch

Aufgrund elektronenmikroskopischer Untersuchungen wurde ursprünglich angenommen, es handele sich beim Bakteriorhodopsin um einen mehr oder weniger starren Kanal in der Plasmamembran, der nur durch Schaltbewegungen des "Schleusentors" Retinal für Protonen geöffnet oder geschlossen wird. "Auch wir haben das geglaubt", erinnert sich Georg Büldt. Doch die Forscher gaben sich damit nicht zufrieden und schauten mit Hilfe der Neutronenstreuung nach, ob sich vielleicht die Wassermoleküle innerhalb der Pumpe bewegen. Dafür nutzten sie einen Trick: Wird der gewöhnliche Wasserstoff durch das schwerere Deuterium ersetzt, nehmen die auftreffenden Neutronen einen anderen Weg. So lassen sich die markierten Wassermoleküle orten. Diese Experimente hatten jedoch ein ganz unerwartetes Ergebnis: Sie zeigten, daß sich das Bakteriorhodopsin während des Pumpvorgangs bewegt. Sogar leichte Änderungen in der dreidimensionalen Faltung der ganzen Eiweißkette ließen sich nachweisen.

Eine Bakteriorhodopsin-Probe wird vorbereitet

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Eine Bakteriorhodopsin-Probe wird für die Untersuchung mit Neutronenstrahlung vorbereitet - hier für Experimente am D-16 Diffraktometer am Institut Laue-Langevin in Grenoble.

Tatsächlich ist eine Konformationsänderung des Retinals nur der erste Schritt in einer Kaskade von Ereignissen: Das Retinal geht beim Eintreffen eines Photons von der langgestreckten trans-Form in die gekrümmte cis-Form über, es bekommt sozusagen einen Knick. Ein Proton an der positiv geladenen Verbindungsstelle zwischen Retinal und Protein findet daraufhin keinen Halt mehr. Es wird an eine benachbarte Aminosäure abgegeben. "Noch wissen wir nicht hundertprozentig, was bei diesem "Bäumchen-wechsel-dich-Spiel" alles abläuft", so Büldt, "doch das Ergebnis ist klar: Die Positionsver-änderungen der elektrischen Ladungen im Molekül bewirken, daß ein anderes Proton schließlich das Bakteriorhodopsin verläßt." Die neu verteilte Ladung im Bakteriorhodopsin führt gleichzeitig dazu, daß sich die Form des Moleküls ändert. Es befindet sich nun im M-Zustand. Durch Aufnahme eines Protons aus dem Zellinneren kehrt es schließlich in den Ausgangszustand zurück. Ein Photozyklus ist beendet, ein Proton nach außen gepumpt.

So langatmig ein solcher Arbeitszyklus der Protonenpumpe auch zu beschreiben ist - in der Natur dauert er nur einige tausendstel Sekunden. Um die Formveränderungen während des Protonentransports in einzelnen "Standbildern" festzuhalten, muß aber ein ganzes Bakteriorhodopsin-Gitter in unterschiedlichen Stadien gestoppt werden. Hierfür wird das Molekül vor der Belichtung stark abgekühlt und danach bei -180°C im M-Zustand fixiert. Vergleicht man nun Aufnahmen des Grundzustands mit dem M-Zustand, zeigen sich deutliche Formunterschiede im Protein.

Form und Bewegung im Röntgenblick

Den Bewegungsabläufen im Molekül sind die Jülicher Wissenschaftler nun mit Hilfe der Röntgen-Synchrotronstrahlung auf der Spur. Anders als die Neutronen streuen die Synchrotronstrahlen nicht an den Atomkernen. Ihr Weg wird von den Elektronen beeinflußt, also den sehr viel leichteren Trägern negativer Ladung, die die schweren Kerne als Wolke umgeben. Auch diese Wechselwirkung erzeugt Streubilder. Aus ihnen läßt sich die Gestalt des Moleküls errechnen. Ein Vorteil dieser Experimente: Sie benötigen nur etwa ein Millionstel der Substanzmengen, die für Untersuchungen mit Neutronenstrahlen gebraucht werden. Für die Untersuchung biologischer Moleküle, die oft nur in geringen Mengen zu kristallisieren sind, ist das ein beträchtlicher Vorzug.

Der Weg des Protons in Raum und Zeit

Mit Experimenten am Speicherring DORIS ("Double Ring Store") des Deutschen Elektronensynchrotrons (DESY) in Hamburg untersuchten die Jülicher Wissenschaftler: Wie hängt der zeitliche Verlauf der Bewegungen im Molekül mit den funktionellen Veränderungen während des Photozyklus zusammen? Wo befindet sich das Proton in welcher Phase?

Trifft Licht auf das purpurfarbene Bakteriorhodopsin ...

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Trifft Licht auf das purpurfarbene Bakteriorhodopsin (BR 568), wird damit eine Protonen-pumpe in Gang gesetzt: Zunächst bekommt die mit dem Eiweißmolekül verbundene Retinal-Gruppe einen Knick - in der Sprache der Chemiker: Sie geht von der trans- in die cis-form über. Nach Umlegen dieses "Schalters" ändert sich die Färbung des Bakteriorhodopsins - über mehrere Zwischenstufen (K, L ) - von purpur nach gelb (M1). Dabei transportiert es ein Proton (H+) durch die Zellmembran und gibt dieses schließlich nach außen ab. Bevor das Bakteriorho-dopsin-Molekül erneut ein Proton aus dem Zellinneren aufnehmen kann, ändert es seine Gestalt ein wenig - es nimmt eine M2 genannte Form an. Nach Durchlaufen weiterer Übergangsstadien (N,O) kehrt es schließlich in den purpurfarbenen Ausgangszustand zurück. Die Absorp-tionsspektren zeigen: Die Ausgangsform des Bakteriorhodopsins absorbiert vor allem Licht im grün-gelben Be-reich (Maximum bei 568 Nanome-ter Wellenlänge). Es erscheint dem Betrachter daher purpurrot. Die M-Form schluckt da-gegen vorwiegend blaues Licht (Ma-ximum bei 410 Nanometer Wellen-länge) und sieht deshalb gelb aus.

Für diese Versuche, die sie gemeinsam mit Kollegen vom Euro-pean Molecular Biology Laboratory (EMBL) durchführen, verwenden die Jülicher Wissenschaftler mutierte Bakteriorhodopsin-Moleküle. Diese werden im Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried (Direktor Prof. Dieter Oesterhelt) hergestellt. Mit gentechnischen Methoden sind darin einzelne, für den Protonentransport wichtige Eiweißbausteine durch andere ersetzt. Die Weitergabe des Protons stockt nun an dieser Stelle. Befindet sich etwa an einer dem Zellinneren zugewandten Stelle des Eiweißmoleküls die Aminosäure Asparagin statt der dort eigentlich vorgesehen Asparaginsäure, entsteht bei Belichtung zwar noch die gelbe M-Form des Bakteriorhodopsins. Doch kehrt das Molekül anschließend nur äußerst langsam in den Grundzustand zurück, so daß man es sogar bei Raumtemperatur und ständiger Belichtung im M-Zustand "einfangen" kann. Unter diesen Bedingungen wurden Röntgenbeugungsexperimente am DESY durchgeführt. Aus derartigen Versuchen schloß die Jülicher Arbeitsgruppe: Während des M-Zustands ändert sich die Faltung des Bakteriorho-dopsin-Moleküls ein wenig. Es geht dabei von einer als M1 bezeichneten Anordnung zur sogenannten M2-Form über. Nur wenn die Pumpe sich in dieser Weise bewegt, kann sie erneut ein Proton aus dem Zellinneren aufnehmen, vermuten die Wissenschaftler. Erst danach gelangt das Molekül ganz entspannt in den Grundzustand zurück und beginnt einen neuen Arbeitszyklus (Bild 4).

Nimmt das Bakteriorhodopsin nun im Verlauf des Photozyklus unterschiedliche Formen an, die jeweils mittels Synchrotronstrahlung analysiert werden, läßt sich aus solchen Momentaufnahmen schließlich der Bewegungsablauf im Molekül vollständig rekonstruieren. So hoffen die Wissenschaftler, bald alle wichtigen Zwischenzustände zu kennen, die die Protonenpumpe im Laufe eines Arbeitszyklus annimmt und alle Kettenglieder zu identifizieren, die am Protonentransport beteiligt sind. Doch ganz so weit ist es noch nicht. Bisher gibt es nur vom Grundzustand des Bakteriorhodopsins wirklich hochaufgelöste Aufnahmen, nicht aber von den übrigen Bewegungsstadien. Denn solche Bilder lassen sich nicht mit den leicht erhältlichen zweidimensionalen Molekülgittern erzeugen. Hierfür sind dreidimensionale Kristalle erforderlich. Erstmals gelang es dem Nobelpreisträger Hartmut Michel zwar schon 1980 im Labor von Prof. Oesterhelt, Bakteriorhodopsin zu kristallisieren. "Doch bis zu den Kristallen hoher Qualität, die wir heute verwenden, war es ein langer, steiniger Weg, an dem viele Arbeitsgruppen mitgewirkt haben", betont Georg Büldt. Inzwischen verfügen die Jülicher Wissenschaftler über zwar mikroskopisch kleine, doch äußerst regelmäßige Purpurkristalle, wie sie am Biozentrum in Basel in der Arbeitsgruppe von Dr. Ehud Landau und Prof. Jürg Rosenbusch hergestellt werden. Damit werden scharfe Bilder sämtlicher Zwischenzustände möglich. Sie sollen eines Tages den "Film" ergeben, der alles zeigt, was die Forscher schon immer über die lichtgetriebene Protonenpumpe wissen wollten.