Ärzte Zeitung online, 27.08.2010

3D-Blick auf die Proteinfabriken in menschlichen Zellen

MARTINSRIED (eb). Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Biochemie (MPIB) in Martinsried bei München ist es gelungen, das Innenleben einer intakten menschlichen Zelle mittels Kryo-Elektronentomografie dreidimensional abzubilden. So konnten sie zeigen, wo sich die Ribosomen in der Zelle befinden und wie sie angeordnet sind. Das ist wichtig für die Forschung mit alternden und kranken Zellen.

3D-Blick auf die Proteinfabriken in menschlichen Zellen

Dreidimensionale Rekonstruktion einer Proteinfabrik mittels Kryo-Elektronentomographie.

© Florian Brandt / MPI für Biochemie

Menschliche Zellen sind sehr komplexe Gebilde mit vielen verschiedenen Bestandteilen. Ein wichtiger zellulärer Bestandteil sind die Ribosomen: Sie sind als Proteinfabriken der Zelle für die Herstellung von Proteinen (Proteinbiosynthese) zuständig. Den Bauplan dafür liefert unsere Erbinformation, die DNA.

Da die Ribosomen für diesen Prozess so bedeutsam sind, waren sie schon oft Gegenstand der Strukturforschung. Bisher konnten die Wissenschaftler lediglich einzelne, isolierte Ribosomen betrachten. Ribosomen treten in der lebenden Zelle jedoch meist wie an einer Perlschnur aufgereiht in sogenannten Polyribosomen auf.

Eine isolierte Betrachtung genügt aber nicht, um vollständig zu verstehen, wie die Proteinproduktion innerhalb der Zelle abläuft und wie sie in die komplexen zellulären Strukturen und Prozesse eingebunden ist. Daher ist es notwendig, die Ribosomen in ihrer natürlichen Umgebung, dem Zellinneren, abzubilden und zu untersuchen. Möglich macht dies die Kryo-Elektronentomografie.

Mit dieser Technik, die maßgeblich in der Abteilung Molekulare Strukturbiologie unter der Leitung von Professor Wolfgang Baumeister entwickelt wurde, können dreidimensionale zelluläre Strukturen abgebildet und betrachtet werden. Die Zelle wird schockgefroren, sodass ihre räumliche Struktur erhalten bleibt und sie in ihren Eigenschaften nicht verändert wird.

Zweidimensionale Bilder werden zu einem 3D-Bild rekonstruiert

Dann nehmen die Forscher mit dem Elektronenmikroskop aus verschiedenen Blickwinkeln zweidimensionale Bilder der Zelle auf, aus denen sie schließlich ein dreidimensionales Bild rekonstruieren. Mit Hilfe dieser Methode konnten die MPIB-Wissenschaftler jetzt zum ersten Mal eine dreidimensionale Abbildung einer intakten menschlichen Zelle erzeugen. Zuvor war das bereits bei Polyribosomen des Bakteriums E. coli und für inaktivierte Ribosomen in einer ganzen E. coli Zelle ist.

Die Forscher fanden jetzt heraus, wie die Ribosomen innerhalb der menschlichen Zelle positioniert sind: Ihre Anordnung ist keinesfalls zufällig, sondern sorgt dafür, dass neu entstandene, noch ungefaltete Proteine großen Abstand voneinander einhalten (Molecular Cell, Volume 39, Issue 4, 560-569).

"Wir konnten eine ähnliche Positionierung schon bei bakteriellen Zellen beobachten, was darauf schließen lässt, dass die Ribosomen bei allen Lebewesen auf nahezu gleiche Weise angeordnet sind", so Florian Brandt, in einer Mitteilung des MPIB. "Diese räumliche Organisation der Ribosomen könnte darauf ausgerichtet sein, ein Verklumpen und eine daraus resultierende Fehlfaltung neu entstandener Proteine zu verhindern."

Die Arbeit der MPIB-Wissenschaftler stellt einen weiteren, wichtigen Schritt für die Zellbiologie dar, denn sie hilft dabei, die Verteilung der zellulären Bestandteile und damit die räumliche Organisation der gesamten Zelle besser zu verstehen. "Auch könnte in Zukunft interessant sein", so Brandt, "wie sich diese Organisation zum Beispiel in alternden und kranken Zellen ändert und welchen Einfluss das auf die Gesamteffizienz der Proteinproduktion und -faltung haben könnte."

Studie "The three-dimensional organization of polyribosomes in intact human cells"

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