Die Membranen, die unsere Zellen umschliessen, enthalten eine Vielzahl von verschiedenen Bestandteilen. Darunter befinden sich unzählige Rezeptoren. Diese besonderen Proteine reagieren auf bestimmte Reize von ausserhalb der Zelle, wie zum Beispiel Licht, Geschmacksstoffe oder Hormone. Werden die Rezeptoren stimuliert, verändern sie ihre Form, interagieren mit anderen Proteinen und leiten so die Signale ins Zellinnere weiter. Wie der Rezeptor den Reiz verarbeitet, hängt allerdings stark von der Zusammensetzung der Zellmembran in seiner Umgebung ab.

Daniel Müller, Professor am Departement Biosysteme (D-BSSE) der ETH Zürich in Basel, und Michael Zocher, Postdoc in seiner Gruppe, haben diesen Effekt nun erstmals quantifiziert. Sie machten dies am Beispiel des beta2-Adrenalinrezeptors, eines Rezeptors für das Hormon Adrenalin, sowie Cholesterin, einem wichtigen Lipid in der Zellmembran. Mit ihren Messungen konnten sie zeigen, dass Cholesterin einen sehr grossen Einfluss auf die Eigenschaften des Rezeptors hat.

Cholesterin stabilisiert sämtliche sieben spiralförmigen Untereinheiten des Adrenalinrezeptors», erklärt Müller. Die Bindungstasche, also den Ort, wo das Adrenalin binde, lasse es jedoch unverändert. Das heisst konkret: Adrenalin bindet zwar stets gleich gut an den Rezeptor. Dieser reagiert jedoch unterschiedlich darauf, je nachdem ob sich Cholesterin in seiner Nachbarschaft befindet.

Roboter zieht an Molekülen

Die Wechselwirkungen zwischen dem Adrenalinrezeptor und dem Cholesterin vermass Müllers Forschungsteam mit Hilfe der Einzelmolekül-Kraftspektroskopie (Single Molecule Force Spectroscopy). Diese Methode hat Müller vor seiner Zeit an der ETH mitentwickelt. Um sie zu automatisieren hat er in einer eigenen Firma einen Roboter gebaut. Die Firma hat er längst verkauft. An der Methode tüftelt er bis heute weiter.

Für die jüngste Arbeit verwendeten die ETH-Forscher einen solchen Roboter, der in der heutigen Ausführung klein und handlich ist. Dessen Kernstück ist eine extrem feine Glasnadel. Das Gerät drückt diese mit einer bestimmten Stärke auf einzelne Rezeptorproteine, die in eine künstliche Membran eingebettet sind. Mit etwas Glück bleibt jeweils ein einzelnes Proteinmolekül an der Nadel kleben. Damit die Messung ausgewertet werden kann, muss das Gerät das Protein allerdings an einem seiner beiden Enden erwischen.

Man kann sich das Protein als Knäuel eines langen Aminosäure-Fadens vorstellen. Der Roboter zieht das Protein blitzschnell in die Länge. Während dieses Vorgangs misst er über eine äusserst empfindliche Blattfeder die Kraft, die er aufwenden muss, um jede einzelne Untereinheit des Proteins zu entfalten. «Je stärker die Wechselwirkungen im Protein sind, desto grösser ist der Kraftaufwand beim Ziehen», erklärt Müller.

Mit dieser Methode verglichen die Forscher Adrenalinrezeptoren in einer Membran in Gesellschaft von Cholesterin mit Adrenalinrezeptoren in einer Membran ohne Cholesterin. Die dabei erhaltenen Daten glichen die Wissenschaftler mit der Sequenz der Aminosäuren ab. So konnten sie bestimmen, wo genau im Rezeptormolekül Cholesterin die Stabilität verändert und so die diversen Wechselwirkungen innerhalb des Moleküls kartieren. Da für die statistische Auswertung tausende Messungen notwendig sind, tat der Roboter gute Dienste.

Proben von Nobelpreisträger

Genaueres darüber zu erfahren, unter welchen Umständen ein Rezeptor Signale weiterleitet, ist vor allem für die Pharmaforschung interessant. Denn die G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR), zu denen der Adrenalinrezeptor gehört, sind eine grosse Gruppe von Membranproteinen, die neben der Verarbeitung von Sinneseindrücken auch als «Drug Targets», also als Zielstrukturen für Medikamente, dienen.

Mit ihrer Forschung trug Müllers Gruppe ein weiteres Puzzlestück zum Wissen über die GPCR bei. Unterstützt wurde sie dabei von prominenter Seite: Brian Kobilka von der Stanford University, der im Dezember für seinen Beitrag an die Erforschung der GPCR den Chemie-Nobelpreis entgegennehmen darf, war an der Forschungsarbeit von Müllers Gruppe direkt beteiligt. «Wir haben Kobilka kontaktiert und ihm vorgeschlagen, seine Rezeptoren mit unserer Methode zu vermessen, zu kartieren und die Wechselwirkungen zu quantifizieren», erzählt Müller. Kobilka war begeistert und stellte Proben für die Experimente zur Verfügung. Zudem arbeitete er an der Studie mit und analysierte gemeinsam mit den ETH-Wissenschaftlern die Daten.

Müller selbst will den GPCR auch in Zukunft treu bleiben. Als nächstes möchte er untersuchen, wie die G-Proteine mit den GPCR Komplexe bilden. Das ist der erste Schritt in der Reizweiterleitung, und auch hier lassen sich die Kräfte innerhalb der Proteine vermessen. Den Forschern und dem Roboter wird die Arbeit also nicht so schnell ausgehen.

Literaturhinweis

Zocher M, Zhang C, Rasmussen SGF, Kobilka BK, Müller DJ: Cholesterol increases kinetic, energetic, and mechanical stability of the human beta2-adrenergic receptor. PNAS 2012, Online-Vorabpublikation, DOI: 10.1073/pnas.1210373109