Mechanische Anisotropie von Proteinen in ...

8.2 Beitrag für die Strukturbiologie 65
8.2 Beitrag für die Strukturbiologie
Ein Schlüsselschritt zum Verständnis der Funktionsweise eines Proteins ist die Aufklärung
der gefalteten Raumstruktur eines Proteins. Hochauflösende Strukturaufklärung an Proteinen
ist derzeit hauptsächlich durch zwei Ensemble-Techniken geprägt. Röntgenstreuung an
kristallisierten Proteinen liefert hochauflösende, atomare Strukturinformationen [5]. Diese
Informationen sind statisch und entstammen kristallisierten Proteinen fern ihrer nativen
Umgebung, in der sie normalerweise ihre Funktion ausüben. Kernmagnetische Resonanz
(NMR) erlaubt die hochauflösende Strukturbestimmung von Proteinen in Lösung, ist derzeit
aber u.a. aufgrund des immensen Rechenaufwandes in der Interpretation der NMR-
Daten noch auf Proteine begrenzt, die aus weniger als ca. 150 Aminosäuren bestehen
[111][51]. Die räumliche Struktur einer Vielzahl von Proteinen ist aufgrund unterschiedlicher
Probleme wie z.B Unlöslichkeit, Aggregation bzw. Kristallisationsproblemen derzeit
weder für Röntgenkristallographie noch NMR zugänglich [69]. Eine erfolgreiche Einzelmolekül-Technik,
die dynamisch Konformationsänderungen von einzelnen Proteinen beobachten
kann, ist z.B durch Fluoreszenz Resonanz Energie Transfer (FRET)-basierte Messungen
gegeben [44]. FRET-Techniken sind jedoch derzeit nur relative Strukturänderungen
und keine absoluten Strukturinformationen zugänglich. Es gibt einen großen Bedarf an
neuen Techniken, die präzise und absolute Strukturinformationen möglichst von einzelnen
Proteinen in ihrer nativen Umgebung bei der Arbeit erlangen können.
In Kapitel 2 wurde beschrieben, wie durch mechanische Messungen an einzelnen Molekülen
intramolekulare Abstände in der gefalteten Raumstruktur eines Proteins bis auf
wenige Ångström genau bestimmt werden können. Eine mechanische Triangulation lieferte
absolute Positionen einzelner Aminosäuren in der Raumstruktur eines Proteins. Die mechanischen
Abstandsmessungen erfordern im Prinzip keinerlei Kenntnis der tatsächlichen
Raumstruktur eines Proteins und könnten daher auch für die Bestimmung von intramolekularen
Abständen in Proteinen unbekannter Raumstruktur verwendet werden. Für die
Positionsbestimmung einer Aminosäure sind nur drei Abstandsmessungen nötig. Es ist
daher im Prinzip denkbar, komplette dreidimensionale Proteinstrukturen über die Bestimmung
von ausreichend vielen Paarabständen zu rekonstruieren. Dazu wären maximal 3N
Abstandsmessungen 1 nötig, der Aufwand wächst also nur linear mit der Proteingröße. Vielversprechend
könnte eine Kombination der mechanischen Einzelmolekül-Messungen mit
rechnerischen Methoden zur Strukturvorhersage [94] in einem iterativen Prozess sein:
1. Experimentelle Bestimmung von einigen intramolekularen Abständen als Randbedingungen.
2. Rechnerische Strukturvorhersage unter Einbeziehung der Randbedingungen
3. Erneute Messung von weiteren intramolekularen Abständen mit Hilfe der errechneten
Struktur
1 N = Anzahl der Aminosäuren eines Proteins