SJf_Wettbewerbs_Broschüre_2007 - Die Goldene Sonne am Calanda

Chemie / Biochemie / Medizin
Thierry Schmidlin
4103 Bottmingen
1988
Kantonales Gymnasium Oberwil
Würdigung
Thierry Schmidlin untersuchte die Topologie
einer aufschlussreichen Mutante
des Translokons von Hefe. Er veränderte
die DNA-Sequenz mit molekularbiologischen
Methoden, um an bestimmten
Stellen Cysteine zu platzieren, die durch
chemische Modifikation ihre Lage zur
Membran bestimmen lassen. Er hat sich
enormes Wissen angeeignet, viele Mutanten
hergestellt, deren Funktionalität
bestimmt und die biochemische Methode
aufgebaut für die zukünftige Erhellung
von Struktur und Funktion. Dies ist eine
anspruchsvolle und wissenschaftlich
wertvolle Arbeit.
Prädikat
Hervorragend
Sonderpreis
Stockholm International
Youth Science Seminar SIYSS
mit Einladung zur Nobelpreisverleihung
Sonderanerkennung
Metrohm Stiftung Herisau
Experte
Prof. Martin Spiess
Biozentrum, Abteilung Biochemie,
Universität Basel
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Topologische Untersuchung von mutierten Transmembranproteinen
Membranen und Membransysteme sind Doppellipidschichten und wichtige Bestandteile jeder
Zelle. Sie zeigen sich unter anderem als Zellmembran, Golgi-Apparat, Kernmembran oder als
Endoplasmatisches Retikulum. Viele für die Zelle wichtige Reaktionen laufen an diesen Membranen
ab. Dazu braucht es spezifische Enzyme, welche zum Beispiel eine chemische Reaktion katalysieren,
Ionen durch die Membran transportieren, ATP synthetisieren oder spalten, und vieles
mehr. Diese Vielfalt hat zur Folge, dass rund ein Drittel aller Gene eines Organismus Membranproteine
codiert.
Für meine Forschungsarbeit sind diejenigen Proteine wichtig, welche in die Doppellipidschicht
eingebaut werden, die so genannten Transmembranproteine. Im Aufbau sind sie sich alle relativ
ähnlich, es sind Helixbündel, welche die Doppellipidschicht durchspannen. Dabei zeigen sie eine
wellenförmige Topologie. Das heisst, die erste Helix durchquert die Membran zum Beispiel von
aussen nach innen, die zweite von innen nach aussen, die dritte wieder von aussen nach innen
und so weiter.
Deshalb geht man davon aus, dass jede Transmembrandomäne für die Funktion des Proteins
essentiell ist. Das Fehlen einer Helix müsste theoretisch dazu führen, dass sämtliche Helices vor
oder nach der Deletion ihre Orientierung ändern müssten. Ein Protein mit einem solchen Defekt
wäre demnach nicht mehr funktionsfähig. Bei den meisten Proteinen ist dies auch wirklich zu beobachten.
Allerdings gibt es Ausnahmen. Im Protein Sec61 gibt es zwei Transmembrandomänen,
deren Deletion für die Zelle nicht tödlich endet. Wie die Zelle trotz des fehlerhaften Proteins
funktionieren kann, ist noch unklar.
In der vorliegenden Arbeit beschäftige ich mich mit der Frage, wie die Topologien dieser Sec61-
Mutanten aussehen. Zu diesem Zweck setzte ich mit Hilfe gentechnischer Methoden Marker in
Form von Cysteinen ins Protein, um die Position von topologisch unklaren Stellen nachweisen
zu können. Cysteine besitzen als einzige Aminosäuren eine Schwefelwasserstoffgruppe. Diese
bildet mit zwei Reagenzien, MTSET und MalBiotin, eine feste Verbindung. Bedingung dafür ist
jedoch, dass das Reagenz ungehindert zum Cystein gelangen kann. Dadurch kann man die Lage
des Cysteins erkennen. MTSET kommt im Gegensatz zum MalBiotin nicht durch die ER-
Membran. Reagieren beide Reagenzien, liegt das Cystein folglich ausserhalb des ER-Systems.
Reagiert nur das MalBiotin, liegt das Cystein im ER-Lumen. Anhand einer Gelelektrophorese
und eines Antikörpernachweises kann man danach feststellen, welche Reaktion stattgefunden
hat und welche nicht.
Ich habe drei natürlich vorhandene Cysteine durch gezielte Mutation beseitigt und die neuen eingeführt,
und ich konnte zeigen, dass die Mutantenproteine alle noch funktionell sind. Es hat sich
aber herausgestellt, dass DMF, das als Lösungsmittel für das Reagens MalBiotin normalerweise
verwendet wird, die Detektion der modifizierten Proteine stört. Die Topologie liess sich deshalb
noch nicht bestimmen. Zuerst müssen nun alternative Lösungsmittel getestet werden.