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Proteine, Zellwanderungen und langer Atem – Chemiker Prof. Dr. Heiko M. Möller möchte wissen, wie sich Zellen festhalten und fortbewegen

Prof. Dr. Heiko M. Möller im Labor. Foto: Karla Fritze

Prof. Dr. Heiko M. Möller im Labor. Foto: Karla Fritze

Das Besondere an der Forschung von Heiko Möller ist, dass er an der Schnittestelle zwischen Chemie, Biologie und Medizin arbeitet. „Wir interessieren uns für Biomoleküle“, sagt der Professor für Analytische Chemie. Dazu gehören komplexe Eiweißmoleküle, wie etwa Enzyme oder Antikörper. Nahezu jede Funktion eines Biomoleküls ist von der Reaktion mit seinen Partnern abhängig. Erkenntnisse über die chemischen Grundlagen dieser Wechselwirkungen können zum Beispiel bei der Entwicklung von Medikamenten oder Impfstoffen verwendet werden.

Üblicherweise benutzen die Potsdamer Chemiker für ihre Untersuchungen Eiweißstoffe, die in Bakterien hergestellt werden. Als Strukturbiologen interessieren sich Heiko Möller und sein Team für die dreidimensionalen hochaufgelösten Strukturen der Eiweißstoffe und vor allem für deren Wechselwirkungen. Sie fragen danach, mit welchen Partnern Eiweißstoffe interagieren, was sich dabei verändert oder wie diese Wechselwirkungen reguliert werden. Um diesem Ziel näher zu kommen, kombinieren sie die sogenannte NMR-Spektroskopie mit einer Reihe weiterer experimenteller und theoretischer Methoden.

Basistechnik NMR-Spektroskopie

Die für die Aufklärung der 3D-Struktur von Eiweißstoffen am häufigsten eingesetzte Technik ist die Röntgenkristallografie. Etwa 90 Prozent der hochaufgelösten 3D-Strukturen werden mit Röntgenmethoden aufgeklärt. Es gibt allerdings Proteine, die nicht kristallisieren – und dann ist diese Methode nicht anwendbar. Eines der Proteine, an denen Heiko Möller interessiert ist, gehört zu dieser Gruppe. Deren Strukturen werden im Regelfall mithilfe der NMR-Spektroskopie gelöst, einer Untersuchung durch Kernspinresonanz, vom englischen Nuclear Magnetic Resonance (NMR). „Für Chemiker ist die NMR-Spektroskopie eine Basistechnik, die aus dem Laboralltag praktisch nicht wegzudenken ist“, erklärt Heiko Möller. Mit der Methode lassen sich chemische Strukturen von Molekülen bis ins kleinste Detail analysieren. Die Wissenschaftler bestimmen damit beispielsweise, welche Atome in einem Molekül miteinander verknüpft sind oder wie die dreidimensionale Anordnung der funktionellen Gruppen, etwa in einem Zuckermolekül, aussieht. Auch die Reinheit von Stoffen ist mit der NMR-Spektroskopie überprüfbar. Im aktuellen Projekt „Strukturbiologie fokaler Adhäsionen: Wie Zellen sich festhalten und fortbewegen“ kooperieren die Potsdamer Forscher mit Kollegen der Universität Konstanz, an der Heiko Möller arbeitete, bevor er nach Potsdam kam.

Protein Paxillin

„Als wir feststellten, dass ‚unser‘ Protein nicht kristallisiert, und wir auch keine Bedingungen dafür fanden, wendeten wir uns der NMR-Spektroskopie zu“, erläutert der Chemiker das Vorgehen. Dafür sind allerdings relativ große Mengen des Eiweißstoffs in stabiler Form nötig. Während viele biologische Experimente mit nur wenigen Mikrogramm funktionieren, sind im aktuellen Fall etwa zehn Milligramm notwendig. Als Hürde stellte sich heraus, dass sich die Proteine bei den Untersuchungen nicht verändern beziehungsweise zersetzen dürfen. Die sogenannte Optimierung des Proteinkonstrukts, des Formats, mit dem man weiterarbeiten will, kann durchaus Jahre in Anspruch nehmen. Dies ist die Voraussetzung dafür, dass sich die Eiweiße für die Strukturuntersuchungen „gut“ verhalten.

Um mittels NMR-Spektroskopie Eiweißstrukturen analysieren zu können, müssen die Proteine mit Isotopen markiert werden, die normalerweise nur in sehr geringen Anteilen vorliegen. Dazu „verfüttert“ man an die Bakterien, die die Eiweiße herstellen, die beiden Substanzen 15N-Ammoniumchlorid und 13C-Traubenzucker sowie ein paar Vitamine und Mineralstoffe. Unter diesen Bedingungen reichern sich die Isotopen in den Bakterien an und sie stellen die benötigten, markierten Proteine in großer Menge her. „Anschließend reinigen wir den Eiweißstoff aus den Bakterien heraus. Dazu ernten wir die Zellen, zerstören die Zellmembran und isolieren das gewünschte Protein – üblicherweise in mehreren Schritten – aus dem Zytoplasma, der Flüssigkeit aus dem Zellinnern“, sagt Heiko Möller.

Die Forscher sind dabei, die 3D-Strukturen von Teilstücken aus dem relativ großen Protein Paxillin aufzuklären. Dazu gehört, von den Wasserstoff-, Stickstoff- und Kohlenstoffkernen sogenannte NMR-spektroskopische Resonanzfrequenzen zu ermitteln. Dabei handelt es sich um Puzzlearbeit, die viele Wochen oder gar Monate in Anspruch nehmen kann. Anschließend wird mithilfe komplexer Rechenverfahren die Struktur bestimmt.

Heiko Möller ist sich bewusst, mit seiner Forschung „nur“ einen winzigen Ausschnitt der Realität betrachten zu können. „Das kitzelt aber mein wissenschaftliches Gemüt.“ Für das aktuelle Projekt heißt das, es ist unwahrscheinlich, dass es in den nächsten Jahren ein praktisches Ergebnis – etwa in Form eines Medikaments – hervorbringen wird. Wissenschaft braucht Zeit und einen langen Atem.

Paxillin spielt eine wichtige Rolle bei der Wanderung von Zellen. Diese bewegen sich nicht wie Menschen mit Knochen und Muskeln, sondern indem bestimmte Apparate ausgestreckt werden. Diese Fortsätze haften an der Oberfläche, der hintere Teil wird nachgezogen. Der Vorgang wiederholt sich ständig, vergleichbar mit der Fortbewegung von Würmern oder Schnecken. Zellen halten sich an Oberflächen, an anderen Zellen oder Geweben fest. Sie hangeln sich entlang oder bewegen sich hindurch. Ein typisches Beispiel dafür sind Immunzellen, Leukozyten, die in ein entzündetes Gewebe hineinwandern. Das gilt aber auch für Krebszellen, die aus dem Tumor im Körper wandern und sogenannte Metastasen bilden. Die Zellabwanderung hat große Bedeutung für lebenswichtige Prozesse, wie Wachstum, Entwicklung, Differenzierung, betrifft aber ebenso krankhafte Prozesse, wie Krebs oder die Degeneration von Nervenzellen.

Der Wissenschaftler

Prof. Dr. Heiko M. Möller studierte Chemie in Hamburg. Seit 2014 ist er Professor für Analytische Chemie im Institut für Chemie der Universität Potsdam.

Kontakt

Universität Potsdam
Institut für Chemie
Karl-Liebknecht-Straße 24-25, 14476 Potsdam
E-Mail: heiko.moelleruni-potsdamde

Das Projekt

Strukturbiologie fokaler Adhäsionen: Wie Zellen sich festhalten und fortbewegen
Beteiligt: Prof. Dr. Heiko M. Möller, Universität Potsdam – Kooperation mit Prof. Christof Hauck, Universität Konstanz. Dort gefördert im Rahmen des SFB 969 „Proteostasis“.
Laufzeit: 2016–2019 (2. Förderphase)

Text: Dr. Barbara Eckardt
Online gestellt: Agnes Bressa
Kontakt zur Online-Redaktion: onlineredaktionuni-potsdamde