Fluoreszierende Sonden enthüllen flüssigkeitsartige Barrieren in lebenden menschlichen Kernporen
Eine Studie in Nature zeigt, wie Zuckergruppen und Transportrezeptoren den zellulären Nanokanal in Fluss halten, statt ihn zu einem festen Gel erstarren zu lassen.
Forscher der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, des Max-Planck-Instituts für Biophysik und der Wuhan University haben erstmals die Proteindynamik im Inneren menschlicher Kernporen gemessen. Die biophysikalische Innovation zeigt, dass der zentrale Nanokanal in einem flüssigkeitsartigen Zustand bleibt und nicht zu einem Gel erstarrt. Die in Nature veröffentlichten Ergebnisse lösen einen langjährigen Streit darüber, wie Zellen jede Minute Zehntausende molekulare Besucher selektiv filtern.
Proteinbewegung in lebenden Nanokanälen verfolgen
Menschliche Zellkerne schützen ihre genetische Information hinter einer Doppelmembran, die von Tausenden mikroskopischer Kanäle durchbrochen ist. Der Transport durch diese Tore wird von einem inneren Proteinnetz gesteuert, doch zuvor waren sich Wissenschaftler uneinig, ob dieses Netz sich wie ein gestrecktes Polymer, ein flüssiges Kondensat oder ein starres Gel verhält. Um die Struktur in intakten menschlichen Zellen durch eine neue methodische Innovation zu untersuchen, brachte ein Forschungsteam unter der Leitung der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), des Max-Planck-Instituts für Biophysik (MPI-BP) in Frankfurt am Main und der Wuhan University winzige leuchtende Sonden direkt an Porenproteinen an, wie Phys.org berichtet.
Indem sie die Beweglichkeit dieser Fluoreszenzfarbstoffe verfolgten, konnten die Forscher den physikalischen Zustand des Kanals direkt erfassen. Die Farbstoffe bewegten sich in aktiven Zellen rasch, was bestätigt, dass der innere Kanal wie eine Flüssigkeit funktioniert. Professor Edward Lemke, Professor für synthetische Biophysik an der JGU, der die Studie gemeinsam mit Professor Gerhard Hummer vom MPI-BP leitete, erklärte, die hohe Geschwindigkeit der optischen Marker belege eine flüssigkeitsartige Umgebung im Inneren der lebenden Pore.
„Erstmals ist es uns gelungen, die intrinsische Proteindynamik im Nanokanal einer lebenden Zelle zu messen und zu zeigen, dass das Innere dieses Kanals flüssigkeitsartig ist“
— Professor Edward Lemke, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Warum zelluläre Filter nicht erstarren
Das in lebenden Zellen beobachtete dynamische Verhalten stand in scharfem Kontrast zu Tests im Reagenzglas. Wurden isolierte Porenproteine in vitro ohne zelluläre Faktoren untersucht, versteifte das Material durchweg nach rund zwei Stunden zu einer dichten Struktur, die an einen Gummibären oder an die Proteinablagerungen bei Alzheimer- und Parkinson-Krankheit erinnert, so Phys.org.
Um diesen Zerfall zu verhindern, setzen lebende Zellen zwei spezifische biochemische Mechanismen ein. Die Barriereproteine müssen glykosyliert sein, das heißt, sie sind mit Zuckergruppen modifiziert, die verhindern, dass einzelne Ketten zu fest aneinanderhaften. Zusammen mit aktiven Transportrezeptoren reproduzierten die Proteine in Labormodellen die schnelle, flüssige Bewegung, die in intakten Zellen gemessen wurde, so die Forscher.
Exascale-Simulationen kartieren den Transportkorridor
Das Verständnis des physikalischen Zustands der Pore ermöglichte es Forschern am MPI-BP, ein detailliertes Computermodell des Filtrationsprozesses zu erstellen. Die Berechnungen liefen auf JUPITER, Europas erstem Exascale-Supercomputer am Forschungszentrum Jülich, wie Phys.org berichtet. Die Simulationen beantworteten ein klassisches biologisches Rätsel: warum der molekulare Fluss entlang der Ränder des Kanals schneller erscheint als entlang seiner Mittellinie.
Zwar hat das Forschungsteam keine Patentanmeldung angekündigt, um geistiges Eigentum an der Erfindung zu sichern, doch sein optisches Tracking-System bietet einen reproduzierbaren Rahmen für die Untersuchung zellulärer Transportbarrieren. Die Klärung, wie ungeordnete Proteine flüssige Grenzen aufrechterhalten, ohne zu erstarren, gibt Forschern einen Referenzpunkt für die Untersuchung, wie Viren in Zellkerne eindringen und warum fehlerhafte Proteinansammlungen bei degenerativen Erkrankungen auftreten.
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