Keine Proteine haften stärker aneinander als diese zwei: die «Pilus-Proteine» FimF und FimG des Bakteriums E. coli. Wissenschaftler der ETH Zürich entwickelten nun aus diesem natürlichen «Super-Klebstoff» eine Methode, mit der es gelingt, andere Proteine zu isolieren, und zwar selbst dann, wenn sie nur in sehr geringen Mengen vorkommen.

Bei den Pili handelt es sich um feinste Härchen, die einige Bakterien auf ihrer Oberfläche tragen. So ist beispielsweise eine Untergruppe von Kolibakterien, die Blasenentzündungen verursachen, auf diese Weise behaart. Dank der Pili können sie sich an die Zellen des Urogenitaltrakts heften. Die Pili sind aus einer Reihe verschiedener Proteine aufgebaut, darunter die Proteine FimF und FimG. Dass sie so stark aneinander haften, liegt an ihrer speziellen Struktur: FimF trägt einen Fortsatz in Form einer kurzen Kette aus 15 Aminosäuren, die genau in eine Grube des Proteins FimG passt. Diese Passgenauigkeit sowie Wechselwirkungen zwischen den beiden Proteinen tragen zur Bindung bei.

Proteine isolieren

Wie stark diese ist, veranschaulicht ihre Halbwertszeit: Unter natürlichen Bedingungen beträgt sie drei Milliarden Jahre. Das heisst, ohne weiteres Dazutun wäre jeder zweite FimF-FimG-Komplex selbst nach dieser unvorstellbar langen Zeit noch stabil. Typische Halbwertszeiten von Protein-Protein-Komplexen liegen sonst im Bereich von Minuten bis Tagen. Dass diese Bindung von FimF und FimG die stärkste ist, die bisher zwischen zwei Proteinen gemessen wurde, haben Forscher aus der Gruppe von Rudi Glockshuber, Professor für Molekularbiologie, bereits vor fünf Jahren entdeckt. Nun machte sich dieselbe Gruppe diese ausserordentlichen Eigenschaften zunutze für eine Anwendung in der sogenannten Affinitätschromatografie. Dabei handelt es sich um ein Verfahren zur Trennung von Proteinen, das sowohl in molekularbiologischen Forschungslabors als auch bei der industriellen Herstellung gentechnologischer Produkte zum Alltag gehört.

Bei der Affinitätschromatografie kann zum Beispiel eine in der Natur bestehende Wechselwirkung zwischen zwei Proteinen A und B genutzt werden, um ein drittes Protein C zu isolieren. Dazu wird mittels gentechnologischer Verfahren der funktionelle Teil von Protein B an das zu isolierende Protein C fusioniert. Der Bindungspartner A wird im Innern einer sogenannten Chromatografie-Säule befestigt. Lässt man nun eine Lösung mit einem Gemisch aus zahlreichen Proteinen durch diese Säule laufen, wird darin (ausschliesslich) das Fusionsprotein B-C wie von einem Magneten festgehalten. Beispielsweise durch Zugabe proteinspaltender Enzyme kann man schliesslich das gewünschte Protein C wieder aus der Säule lösen. Die Methode ermöglicht ausserdem, weitere, an das Protein C bindende Moleküle zu identifizieren.

Praxistest mit einem Ribosom

Mit den bisher in der Affinitätschromatografie verwendeten Protein-Paaren wurden jedoch nie so starke Wechselwirkungen wie mit FimF-FimG erreicht. Dass sich die beiden Pilus-Proteine hervorragend für diese Technik eignen, haben die ETH-Forscher in Praxistests gezeigt. Unter anderem haben sie das Ribosom von E. coli isoliert. Das Ribosom ist die komplexe zellinterne Proteinherstellungsmaschinerie. Sie ist aus mehreren Proteinen und weiteren Molekülen zusammengesetzt. Um es isolieren zu können, haben sie gentechnologisch eine Proteinuntereinheit des Ribosoms zusammen mit dem Fortsatz von FimF hergestellt. In einer Chromatografie-Säule befestigten sie das FimG-Protein. So gelang es ihnen, das gesamte Ribosom aus den Zellen in einem einzigen Schritt zu isolieren.

Höhere Ausbeute und Reinheit

«Im Vergleich zu anderen Affinitätschromatografie-Systemen ist unseres effizienter», sagt Christoph Giese, Postdoc in Glockshubers Gruppe. «Wir können damit aus einem Rohextrakt nicht nur reineres Protein isolieren als mit anderen Systemen, sondern auch in einer höheren Ausbeute.» Zudem sei das Verfahren besonders geeignet, um in geringen Konzentrationen vorliegende Proteine zu isolieren. Ausserdem könne man das FimF-FimG-System im Gegensatz zu anderen Systemen selbst unter leicht sauren Bedingungen verwenden, was in gewissen Fällen von Vorteil sei.

Die Anwendungsmöglichkeiten des FimF-FimG-Systems beschränken sich jedoch nicht auf die Affinitätschromatografie. «Man kann es ganz allgemein dazu verwenden, um Proteine dauerhaft auf einem Träger zu fixieren», sagt Giese. Möglich wären beispielsweise sogenannte Lab-on-a-chip-Anwendungen. Bei solchen Diagnose-Kits im Taschenformat, wie es beispielsweise der bekannte Schwangerschaftstest ist, kommt genau eine solche Immobilisierung zum Tragen. Bei vergleichbaren Anwendungen könnte der FimF-FimG-Komplex neue Möglichkeiten eröffnen. Die ETH-Forscher haben ihre Technik zum Patent angemeldet.

Literaturhinweis

Giese C, Zosel F, Puorger C, Glockshuber R: The Most Stable Protein-Ligand Complex: Applications for One-Step Affinity Purification and Identification of Protein Assemblies. Angewandte Chemie International Edition, 2012. 51: 4474, doi:10.1002/anie.201108747

Puorger C, Eidam O, Capitani G, Erilov D, Grütter MG, Glockshuber R: Infinite kinetic stability against dissociation of supramolecular protein complexes through donor strand complementation. Structure, 2008. 16:631, doi: 10.1016/j.str.2008.01.013