Eiweißmoleküle vom Fließband

Jede Sekunde verlässt ein neu gebildetes Protein ein Ribosom, wie am Fließband. Die Makromolekülkomplexe, von denen jede Zelle Hunderttausende besitzt, sind äußerst produktiv. Und lebenswichtig. Deshalb sind bakterielle Ribosomen eine wichtige Zielstruktur für Antibiotika. Die diesjährigen Paul-Ehrlich-Ludwig-Darmstaedter-Preisträger werden für "herausragende Beiträge zur Aufklärung der 3D-Struktur von Ribosomen" ausgezeichnet, so der Stiftungsrat.

Von Nicola Siegmund-Schultze Veröffentlicht:

Preisträger sind die Biochemikerin Professor Ada Yonath, Direktorin des Helen und Milton A. Kimmelman Zentrums für Biomolekulare Struktur und Komplexe am Weizmann Institut in Rehovot in Israel, und der Biochemiker Professor Harry Noller, Direktor des Zentrums für molekulare Biologie in Santa Cruz in Kalifornien. Die Auszeichnung ist mit 100 000 Euro dotiert und zählt international zu den renommiertesten Preisen auf dem Gebiet der medizinischen Forschung. Heute, am 14. März, dem Geburtstag von Paul Ehrlich, wird der Preis in Frankfurt am Main verliehen.

Wachsende Peptidkette wird nach außen geschoben

Ribosomen sind makromolekulare Komplexe aus Ribonukleinsäuren und Proteinen, die die genetische Information - verschlüsselt in der Boten-RNA - in Eiweiße umsetzen. Zwei verschieden große Untereinheiten arbeiten dabei zusammen. Das Herzstück der Ribosomen ist das Peptidyl-Transferase-Centrum (PTC), in dem die Katalyse stattfindet. Wie durch eine Röhre wird die wachsende Peptidkette Schritt für Schritt nach außen geschoben. Die kleinere Ribosom-Untereinheit steuert die "Dechiffrier-Einheit" bei und kontrolliert, dass bei der Übersetzung der DNA-Information in die Abfolge der Aminosäuren alles korrekt läuft.

Hauptarbeit leisten mehrere RNA-Moleküle (Ribozyme), nicht Proteine. Wie die RNA-Moleküle ihre Substrate binden und verändern und wie sich das Ribosom dabei bewegt, haben Yonath und Noller erforscht. Sie nutzten dazu biochemische und physikalische Methoden, etwa die Röntgenstrukturanalyse. Ihre unabhängig voneinander gewonnenen Erkenntnisse ergänzen sich. Voraussetzung für die Anwendung der Methode war die Kristallisation von Ribosomen, die lange wegen der Größe, Flexibilität und funktionellen Heterogenität der Ribosomen als unmöglich galt.

"Etwa 15 Jahre hat Yonath versucht, gute Kristalle zu erzeugen, die eine hohe Strukturauflösung im Röntgenstrahl brachten", sagt der ehemalige Mitarbeiter Dr. Frank Schlünzen. Er hat mit Yonath in der Max-Planck-Arbeitsgruppe am DESY in Hamburg geforscht, wo Röntgenstrahlen in einem Synchrotron erzeugt werden. "Wenn wir am Synchrotron gemessen haben, ist unsere Chefin Tage lang im Labor geblieben, nur gelegentlich ist sie auf dem Stuhl eingenickt", erinnert sich Schlünzen. Im Sommer 1997 hatte das Team endlich die gewünschte Ausbeute.

Mit der von Yonath etablierten Methode der Kryo-Kristallografie bei Temperaturen von -185° Celsius gelang es, ribosomale Komplexe in verschiedenen Phasen der Protein-Synthese zu kristallisieren, die genaue dreidimensionale Struktur und Architektur der kleinen ribosomalen Untereinheit zu bestimmen. Yonath und ihr Team verwendeten unter anderem schwere Atome als Markierungen. Diese stehen aufgrund ihrer hohen Elektronendichte wie Fähnchen aus der ribosomalen Elektronendichtekarte heraus und erlauben eine exakte Lagebestimmung bestimmter Funktionseinheiten innerhalb des Ribosoms. Das Bild brachte neue Erkenntnisse über die Katalyseprozesse in den Proteinfabriken.

Analysen haben die Forschung zu Antibiotika vorangetrieben

Harry Noller und seine Arbeitsgruppe hatten sich der Ribosomenstruktur mehr als 20 Jahre zuvor zunächst biochemisch genähert. Ihm gelang es, die Struktur der ribosomalen RNA vorherzusagen, die an der Aneinanderreihung der Aminosäuren bei der Proteinsynthese beteiligt ist. Die Forscher entschlüsselten zudem weltweit als erste die Struktur eines Ribosoms des Bakteriums Thermus thermophilus, einem Modellorganismus in der Biologie, der sich am besten bei 85° Celsius vermehrt.

Die Ribosomenanalysen haben auch die Antibiotikaforschung vorangetrieben. So haben Yonath und ihr Team herausgefunden, dass sich Makrolide, Lincosamide und Chloramphenicol nur an die RNA im PTC binden und nicht in Wechselwirkung mit ribosomalen Proteinen treten (Nature 413, 2001, 814). Die räumliche Darstellung der Wechselwirkung von Antibiotika mit den Ribosomen ermöglicht es, die Struktur der Medikamente zu optimieren.



DIE PREISTRÄGER

Ada Yonath wurde am 22. Juni 1939 in Jerusalem geboren, studierte dort Chemie und Biochemie an der Hebräischen Universität und promovierte 1968 am Weizmann Institut der Wissenschaften in Rehovot. Nach Aufenthalten in den USA kehrte sie 1970 nach Jerusalem zurück und baute das erste Laboratorium für Proteinkristallografie in Israel auf. Bis 2004 war sie auch Leiterin einer Forschungsgruppe des Max-Planck-Instituts am DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) in Hamburg. (Fotos (2): Paul-Ehrlich-Gesellschaft)

Harry Noller wurde am 10. Juni 1939 in Oakland im US-Staat Kalifornien geboren. Er studierte Biochemie an der Universität von Kalifornien in Berkeley und promovierte in Chemie an der Universität von Oregon in Eugene. Nach Forschungsaufenthalten in England und der Schweiz kehrte er in die USA zurück, wo er seit 1968 an der Universität von Kalifornien in Santa Cruz arbeitet. Dort leitet Noller das Zentrum für Molekularbiologie der RNA. (nsi)

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