„Protein mit ungewöhnlichem Verhalten“

Welt der Physik: Wie lässt sich das Geschehen im Innern von Zellen denn überhaupt verfolgen?

Frank Schreiber

Frank Schreiber: Es gibt hierfür eine ganze Reihe unterschiedlicher Methoden, von der Mikroskopie über Röntgenverfahren bis hin zur Spektroskopie mit Neutronen. Man benötigt all diese Techniken, weil Zellen immens komplexe Gebilde sind. Auf der atomaren und molekularen Ebene geschehen ständig neue Prozesse. Proteine werden zusammengebaut und wandern durch die Zelle, um ihre Funktion zu erfüllen. Dabei spielen Vorgänge auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen eine Rolle: von ultrakurzen Prozessen, die Milliardstel Sekunden dauern, bis hin zu solchen, die viele Sekunden andauern. Noch dazu sind viele Proteine dicht gedrängt, so dass man nur sehr schwer Licht auf all diese Prozesse in einer Zelle werfen kann.

Was genau haben Sie untersucht?

Wir haben ein Protein namens Ferritin ausgewählt und es in wässriger Lösung in kleinen Kapillaren mit einem Röntgenstrahl durchleuchtet. Dadurch konnten wir all das molekulare Durcheinander in einer echten Zelle vermeiden und das Bewegungsverhalten dieses Proteins isoliert betrachten. Ferritin ist ein kugelförmiges Protein, das Eisen speichert – daher auch sein Name. Es kommt in fast allen Lebewesen vor und dient unter anderem zum Transport von Eisen im Organismus. Seine Bewegung in Zellen ist allerdings ungewöhnlich und schlecht verstanden: Manchmal bewegt es sich gleichmäßig und zufällig. Aber manchmal wird die Bewegung von Ferritin durch die hohe Konzentration auch behindert.

Haben Sie herausgefunden, wie diese ungewöhnliche Bewegung zustande kommt?

Ferritin-Proteinkomplex

Ja, unter anderem war das Ziel unserer Experimente, dieses eigenartige Verhalten aufzuklären. Je nachdem, wie hoch die Konzentration von Ferritin in der Probe ist, bewegen sich die Proteine zunächst frei und dann blockieren sie sich zeitweise gegenseitig. Das Ferritin steckt dann sozusagen in einem molekularen Käfig fest. Es wird also nicht einfach verlangsamt. Erst nach einer Weile kommt es wieder frei und kann sich dann weiterbewegen. Wir sehen also auf kurzen und längeren Zeitskalen unterschiedliche Bewegungsabläufe. Die Schwierigkeit unserer Experimente bestand darin, dass sich die Bewegung von Ferritin innerhalb von Bruchteilen von Sekunden ändern kann. Man benötigt also eine sehr hohe zeitliche Auflösung.

Mit welcher Methode haben Sie trotzdem die Bewegung zeitlich auflösen können?

Wir haben ein neuartiges Verfahren namens Röntgen-Photonenkorrelationsspektroskopie eingesetzt. Das funktioniert so: Man schießt sehr starke, kurze Röntgenpulse aus dem European XFEL in sehr schneller Reihenfolge auf die Probe. Die Wellenlänge der Röntgenstrahlen ist ungefähr ein Zehnmilliardstel Meter und liegt damit genau im Bereich typischer atomarer Abstände. Das ermöglicht es, die Bewegung auf atomarer Ebene einzufangen. Wenn die Röntgenstrahlen auf Ferritin-Proteine treffen, werden sie von diesen abgelenkt und erzeugen ein Muster auf dem Detektorschirm hinter der Probe. Wenn sich die Proteine bewegen, ändert sich dieses Muster in einer bestimmten Art und Weise. Daraus können wir mithilfe sogenannter Korrelationsfunktionen im Computer berechnen, wie sich die Ferritin-Moleküle bewegen.

Was bedeuten Ihre neuen Erkenntnisse über Ferritin?

Experimente mit Feritin am XFEL

Das ist eine wichtige allgemeine Einsicht für die Zellphysik, weil Moleküle an bestimmten Stellen in einer Zelle mit anderen Molekülen zusammenfinden müssen, um dort etwa biochemische Reaktionen einzugehen. Und speziell Ferritin ist auch für pharmazeutische Anwendungen von Interesse. So wird aktuell daran geforscht, ob man mit Ferritin Wirkstoffe in den Körper bringen kann, die dort mit einer gewissen Verzögerung freigesetzt werden. Und auch als Kontrastmittel für die Magnetresonanztomografie ist Ferritin im Gespräch. Außerdem war ein weiteres Ziel unserer Forschung, eine Experimentiertechnik zu entwickeln, die sich auch auf andere Proteine anwenden lässt.

Wie wollen Sie diese Techniken für die weitere Forschung einsetzen?

Erst seit Kurzem sind wir in der Lage, solche Vorgänge auf kurzen Zeitskalen sichtbar zu machen, wie sie sich auch in der Zelle ereignen. Damit können wir nicht nur messen, wie sich Proteine bewegen, sondern auch Reaktionswahrscheinlichkeiten bestimmen – also wie wahrscheinlich es ist, dass zwei Moleküle miteinander reagieren. Auch für die Ernährungswissenschaft sind solche Erkenntnisse spannend. Damit lässt sich etwa auf molekularer Ebene verstehen, was beim Kochen von Eiern oder Nudeln passiert, oder sogar, wie Schokolade im Mund schmilzt. All dies hängt mit der Bewegung beziehungsweise Vernetzung von Proteinen und anderen Molekülen zusammen. Aber ich möchte auch betonen, dass dieses Verfahren nur eines von mehreren ist, die notwendig sind, um die Bausteine des Lebens besser zu verstehen. Auch Neutronenspektroskopie und weitere Techniken sind aus unserer Forschung nicht mehr wegzudenken. Deshalb arbeiten wir in großen, internationalen Teams zusammen. Das macht nicht nur mir, sondern auch meinen Studentinnen und Studenten viel Spaß.