Wie Proteine „atmen“

Fortschritte in der Strukturanalyse von Biomolekülen haben es Wissenschafter:innen ermöglicht, molekulare Strukturen mit atomarer Präzision zu bestimmen—häufig als statische Momentaufnahmen, die jedoch die für die biologische Funktion entscheidende Dynamik der Proteine nicht widerspiegeln. Forschende des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und internationale Partner:innen kombinierten mehrere Methoden, um zu beleuchten, wie Proteine „atmen“ und wie bestimmte experimentelle Techniken ihre Bewegung zum Stillstand bringen. Die Erkenntnisse – die Ansätze im Protein‑Design fördern und KI‑basierte Strukturvorhersagetools verbessern könnten – wurden in Nature Chemistry veröffentlicht.

Obwohl die Proteinkristallographie seit über einem halben Jahrhundert als zentrale Säule der Strukturanalyse gilt, liefert sie statische Molekülstrukturen – gleichsam Standbilder eines Videos – fern vom pulsierenden Leben in Zellen.

„Wie viel können uns diese ‚eingefrorenen Momentaufnahmen‘ wirklich über die tatsächlichen biologischen Funktionen und das geschäftige molekulare Umfeld der Proteine verraten?“, fragt Lea Becker, Erstautorin der Studie und Doktorandin in der Forschungsgruppe von Professor Paul Schanda am Institute of Science and Technology Austria (ISTA).

Um diese grundlegende Frage zu klären, haben Becker und Schanda mit internationalen Forscher:innen zusammengearbeitet, darunter Christophe Chipot vom Laboratoire International Associé CNRS in Frankreich und der University of Illinois at Urbana‑Champaign (USA) sowie Sylvain Engilberge von der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble (Frankreich). Durch die Kombination von Erkenntnissen aus Röntgenkristallographie, Kernmagnetresonanz‑ (NMR‑) Spektroskopie und Molekülmodellierung konnten sie technische Beschränkungen überwinden und ein vollständigeres Bild des natürlichen Verhaltens von Proteinen gewinnen.

Flüchtige Strukturen mit echter Funktion

Proteine unterscheiden sich in Form und Größe, und ihre Bindungsstellen liegen oft tief im Inneren verborgen. Deshalb müssen sie ihre Form teils stark verändern, um andere Moleküle zu binden.

„Wissenschafter:innen verwenden häufig den Begriff ‚Atembewegung‘, um diesen vorübergehenden Vorgang des ‚Öffnens‘ eines Proteins zu beschreiben“, erklärt Schanda. „Hinter diesem scheinbar einfachen Begriff verbirgt sich jedoch eine komplexe molekulare Choreografie, die in jedem Protein ständig abläuft. Doch oft fehlt uns ein detailliertes Verständnis dieses Phänomens.“

Viele strukturanalytische Methoden können nicht alle Konformationen sichtbar machen, die für eine biologische Funktion wesentlich sind. Besonders die Kristallisation kann Moleküle in wenige starre Formen innerhalb des Kristallgitters zwingen, während dasselbe Protein in Lösung viel freier ‚atmet‘.

„Mit unserer Studie wollen wir die wahre Dynamik von Proteinen über die Zeit aufdecken“, sagt Schanda.

Technische Grenzen überwinden

Um diese hochdynamische mikroskopische Welt zu erforschen, untersuchte das Team Synergien zwischen verschiedenen experimentellen Methoden, die in den letzten Jahren entwickelt wurden.

„Man betrachtet Experimente oft als objektive Fenster in die Natur. Doch jede Methode hat ihre Grenzen und beleuchtet meist nur einen Teil der Wahrheit“, sagt Becker, deren Forschung sich auf Methodik-Entwicklung konzentriert. „Indem wir Methoden weiterentwickeln und kombinieren, wollen wir diese Grenzen überwinden und unseren Erkenntnishorizont erweitern.“

Als Modellsystem untersuchten Becker und das Team das Protein GB1, um dessen konformationelle Flexibilität und Bindung an den Antikörper IgG zu analysieren. Sie taten dies sowohl in der sogenannten festen Phase – mithilfe von Röntgenkristallographie und Festkörper‑NMR – als auch in Lösung, wobei sie fortgeschrittene Markierungsmethoden mit quantitativer NMR‑Analyse kombinierten. Zusätzlich erhielten sie molekulare „Filme“ von GB1 mithilfe von erweiterten Molekulardynamik‑Simulationen.

Drehende aromatische Ringe

Um detailliert zu verstehen, wie GB1 und IgG binden und „atmen“, untersuchte das Team die Rotation spezieller chemischer Gruppen in einzelnen Aminosäuren – den Proteinbausteinen.

Aminosäuren verbinden sich über gemeinsame „Rückgratstrukturen“ zu einer Proteinkette. Ihre individuellen Seitenketten bestimmen jedoch, wie sich das gesamte Protein faltet und welche Formen einzelne Bereiche annehmen können.

Manche Seitenketten enthalten aromatische Ringe – also chemische Gruppen, die Wasser meiden. Deshalb sind sie meist im Inneren des Proteins oder im aktiven Zentrum versteckt, fern der umgebenden Wassermoleküle. Diese Eigenschaft, kombiniert mit der Fähigkeit, sich umzudrehen, macht sie zu idealen Indikatoren für Proteinbewegungen unter experimentellen Bedingungen.

„Damit sich ein aromatischer Ring umklappt, muss sich das ganze Protein deutlich bewegen. Daher sind sie verlässliche Indikatoren der Dynamik. Indem wir messen, wie schnell diese Ringe im Proteininneren und in aktiven Zentren während der Bindung rotieren, können wir ablesen, wie frei ein Protein ‚atmet‘“, erklärt Becker. „Wir wussten bereits, dass Kristallisation die Freiheit der Proteinbewegung einschränken kann. Unser interdisziplinärer Ansatz hilft uns nun, einige dieser molekularen Details zu verstehen.“

Dynamische Strukturen auf Abruf?

Wie Substrate Bindungsstellen erreichen, kann aufzeigen, wie Proteine sich evolutionär zu bestimmten Funktionen entwickelt haben. Nur eine begrenzte Anzahl konformationeller Dynamiken ermöglicht bestimmte biologische Aktivitäten.

Gleichzeitig hatte das aufstrebende Forschungsfeld des de‑novo‑Protein‑Designs – die computergestützte Erzeugung völlig neuer Proteine – bisher wenig Erfolg bei der Entwicklung dynamischer Proteine. Das unterstreicht den Bedarf an experimentellen Daten zur Proteindynamik in der Natur.

„Maschinell entworfene Proteine wurden darauf optimiert, statische Strukturen wiederzugeben. Doch diese ‚eingefrorenen‘ Strukturen zeigen vermutlich nicht das gesamte Spektrum funktionaler Konformationen in der Natur“, sagt Schanda. „Wenn wir Protein‑Dynamik experimentell aufdecken, können wir künftig Proteine mit besserer funktionaler Relevanz modellieren und designen.“

Solches Wissen wiederum wird KI‑basierte Proteinstruktur-Vorhersagetools wie AlphaFold verbessern, die die biomedizinische Forschung und Wirkstoffentwicklung bereits revolutioniert haben. „Die Dynamik von Proteinen zu verstehen und deren Zusammenhang mit biologischen Funktionen zu entschlüsseln, macht Strukturbiologie wirklich spannend“, sagt Schanda.

Publikation:

Lea M. Becker, Haohao Fu, Ben P. Tatman, Matthias Dreydoppel, Anna Kapitonova, Ulrich Weininger, Sylvain Engilberge, Christophe Chipot, and Paul Schanda. 2026. Aromatic Ring Flips Reveal Reshaping of Protein Dynamics in Crystals and Complexes. Nature Chemistry. DOI: 10.1038/s41557-026-02155-0

Projektförderung:

Dieses Projekt wurde durch ein DOC‑Stipendium der Österreichischen Akademie der Wissenschaften am Institute of Science and Technology Austria (Fördernummer PR10660EAW01), durch den European Research Council (ERC, Projekt 101097272) sowie durch das Förderprojekt „ARC“ der Métropole du Grand Nancy unterstützt. Die Forschung wurde außerdem durch die Scientific Service Units (SSU) des ISTA über Ressourcen der NMR‑ und Lab‑Support‑Facilities ermöglicht.