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Fast ein Drittel aller Proteine von Lebewesen sind in den Zellen von Menschen und anderen Lebewesen in eine Biomembran eingebettet. Diese Membranproteine übernehmen wichtige Aufgaben, beispielsweise als molekulare Schleusen, welche Stoffwechselprodukte und Nährstoffe durch die Membran transportieren, oder als Sensorproteine, um die Zellumgebung zu erfassen. Wie kommen sie da überhaupt rein?
Forschende am Departement für Biosysteme der ETH Zürich unter der Leitung von Daniel D. Müller haben dies untersucht. Sie nutzten dazu eine hochpräzise Methode, mit denen sie einzelne Proteine aus Membranen herausziehen beziehungsweise auf Membranen deponieren können. Bei der Einzelmolekül-Kraftspektroskopie kann eine computergesteuerte und nur wenige Nanometer dicke Blattfeder Proteine präzise an einen Ort auf einer Membranoberfläche lenken (siehe Darstelllung rechts).
In Experimenten konnten die Forschenden die Rolle von zwei Helferproteinen aufklären, welche es den Membranproteinen ermöglichen, sich in die Membran einzufügen: einer sogenannten Insertase, welches aus einem Protein besteht, und einer Translokase, welches aus mehreren Proteinen besteht. Beide sorgen dafür, dass sich in der Membran eine Pore öffnet. «Im Fall der Insertase kann man sich diese Pore als Rutschbahn vorstellen. Das Membranprotein liegt zunächst als unstrukturierter Peptid-Faden vor, der auf dieser Rutschbahn in die Membran gleitet. In der Membran organisiert sich dieser Peptid-Faden dann zu seiner funktionellen dreidimensionalen Form», erklärt ETH-Professor Müller. «Ist das Membranprotein schliesslich erfolgreich dreidimensional geformt und in der Membran verankert, löst sich das Helferprotein los und bildet an anderer Stelle in der Membran eine Rutschbahn für das nächste Protein.»
Bei dieser Studie handelt es sich um klassische Grundlagenforschung, die besonders wichtig ist angesichts der Bedeutung von Membranproteinen für die Medizin, wie Müller betont: «Rund die Hälfte aller Medikamente wirken auf Membranproteine, und wir müssen verstehen, wie sich diese Membranproteine formen und wie sie funktionieren.»