Deutscher Studienpreis für TUM-Physiker:

TUM-Student entwickelt Methode zur mechanischen Analyse von Proteinen

Dr. Hendrik Dietz

03.12.2008, Pressemitteilungen

Eiweiße oder Proteine sind die wichtigsten Bausteine aller Zellen des menschlichen Körpers. Doch viele Eigenschaften von Proteinen sind bisher nur unzureichend erforscht, oft weil es keine Methode gibt, mit der sie genauer untersucht werden könnten. Die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Proteinen gehörte bis vor kurzem dazu. Nun hat der Physiker Dr. Hendrik Dietz an der Technischen Universität München (TUM) eine Methode entwickelt, mit der sich auch die mechanischen Eigenschaften von Proteinen detailliert untersuchen lassen. Dafür erhielt er Ende November den mit 30.000 Euro dotierten Deutschen Studienpreis der Körber-Stiftung.

Bisher konnte man mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse zwar die räumliche Struktur von Proteinkristallen analysieren, im lebenden Organismus sind Proteine aber bewegliche Einheiten, die in einigen Fällen ihre Struktur in erheblichem Umfang ändern, um ihre Aufgaben zu erfüllen. Dietz Experimente zeigen nun erstmals einen Weg, wie auch die mechanischen Eigenschaften der räumlichen Form von Proteinen untersucht werden können. Das Verständnis dieser Vorgänge könnte ein gänzlich neues Licht auf viele bisher unverstandene Krankheitsbilder wie BSE, Mukoviszidose oder Alzheimer werfen.

Die Basis für Dietz’ Experimente legten in den 80er Jahren Gerd Binning und Heinrich Rohrer mit dem Rastertunnel-Mikroskop, das einzelne Atome sichtbar machen konnte. Eine Variante davon ist das Rasterkraft-Mikroskop, bei dem die extrem feine Spitze an einer winzigen Blattfeder befestigt ist. Mit diesem gelangen Dietz’ Doktorvater, Professor Matthias Rief, vor einigen Jahren erste mechanische Versuche mit lang gestreckten Muskelfaser-Proteinen.

Die meisten Proteine sind jedoch eher knäuelförmig und sehr viel kleiner als die Spitze des Rasterkraft-Mikroskops, für mechanische Messungen ein kaum überwindbares Problem. Dietz kam dem Ziel ein Stückchen näher, in dem er mit einem genetischen Trick Ketten aus mehreren Einheiten des gewünschten Eiweißes herstellte. Diese Ketten waren groß genug, um sie einspannen vermessen zu können. Doch lieferten die Messungen nur die mechanischen Eigenschaften entlang der Kettenrichtung.

Eine Erfindung, für die Michael Smith 1993 den Nobelpreis erhielt, brachte Dietz den Durchbruch: Der britische Chemiker hatte eine Methode entwickelt, mit der man an einer beliebigen Stelle in der Molekülkette eines Eiweißes eine Aminosäure gegen eine andere austauschen kann. Dietz baute nun an bestimmten Stellen des Proteins die Aminosäure Cystein ein. Sie besitzt ein Schwefelatom, das gerne Bindungen zu anderen Schwefelatomen ausbildet, so genannte Schwefelbrücken. Über diese Schwefelbrücken konnte er nun Ketten des zu untersuchenden Proteins herstellen und das Protein in jeder Raumrichtung vermessen, indem er die Schwefelatome jeweils an einer anderen Stelle einbaute.

Als ersten Kandidaten wählte er das grün fluoreszierende Protein einer Qualle aus. So konnte er auch gleich feststellen, ob der Einbau der Schwefelatome die Funktion des Proteins behinderte. Doch das Protein fluoreszierte weiter. Es wurde offensichtlich durch den Einbau der beiden Schwefelatome kaum verändert. Bei den anschließenden Zugtests stelle er zur Überraschung der Fachwelt sehr große Unterschiede zwischen den einzelnen Zugrichtungen fest. Die zum Zusammenbruch der Eiweißstruktur erforderliche Kraft war in der stabilsten der getesteten Zugrichtungen bis zu zehnmal größer als in der schwächsten.

Mit diesen Versuchen war es Dietz erstmals gelungen, Kraftmessungen an Proteinen in drei Dimensionen durchzuführen. Doch der TUM-Physiker ging noch einen Schritt weiter: Er entwickelte ein einfaches mechanisches Modell des Protein-Moleküls, dass die experimentellen Resultate weitestgehend auch theoretisch erklären konnte. Das Modell basiert auf dem Prinzip einer komplexen Anordnung von Spiralfedern. „Damit kann man ein Protein als ein Netzwerk von Bindungen betrachten,“ erklärt Hendrik Dietz. Kennt man Lage und Anordnung der Verschaltung, so ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften dieses Netzwerks vorherzusagen.“ Die mit seiner Methode gewonnenen Daten stimmen mit denen aus der Röntgenstrukturanalyse sehr gut überein; ein Beweis dafür, dass sie äußerst zuverlässige Ergebnisse liefert.

Während Hendrik Dietz nun im Rahmen eines zweijährigen Forschungsstipendiums der Alexander von Humboldt-Stiftung an der Harvard Medical School in Cambridge (USA) weiter forscht, wird die Methode in Garching am Lehrstuhl von Professor Rief weiter entwickelt und auf andere Protein-Systeme übertragen.

Mit Martin Fuhrmann wurde ein weiterer Student der Technischen Universität München für den Deutsche Studienpreis der Körber-Stiftung nominiert. Der Biologe entwickelte die 2-Photonen in vivo Mikroskopie, mit der man „dem Gehirn beim Denken zusehen“ kann. Am lebenden Organismus kann man so Nervenzellen auf Mikrometer genau beobachten. Mit dieser Methode erhoffen sich die Wissenschaftler neue Erkenntnisse über den Verlauf von Gehirnerkrankungen.

Kontakt:

Prof. Dr. Matthias Rief
Technische Universität München
Lehrstuhl für Experimentalphysik (E22)
James-Franck-Str. 1
85748 Garching
Tel.: +49 89 289 12471
Fax.: +49 89 289 12523
E-Mail: mrief@ph.tum.de

Dr. Hendrik Dietz
Harvard Medical School
Cambridge, USA
Tel.: +1 617 632 5184
E-Mail: hendrik_dietz@dfci.harvard.edu

Kontakt: presse@tum.de

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http://www.koerber-stiftung.de/wettbewerbe/studienpreis/index.html