Wie aus Fäden Fasern werden

  12 April 2010 – Forscher der ETH Zürich, der EPF Lausanne und der Universität Freiburg haben einen grundlegenden Mechanismus gefunden, wie sich fadenförmige Proteine zu stabilen Bändern, so genannten Amyloid-Fibrillen, zusammenfügen. Das wirft ein neues und überraschendes Licht auf die Selbstorganisation von Eiweissen. Die Simulationen zeigen verschiedene Varianten von links gedrehten Amyloid-Fibrillen, die sich aus denaturiertem Beta-Lactoglobulin zusammensetzen.

Im Rasterkraftmikroskop erscheinen sie wie weisse Fäden: langgestreckte Milchproteine mit wenigen Nanometern Durchmesser und von einigen Mikrometern Länge, die wie biegsame Mikado-Stäbchen kreuz und quer übereinander liegen. Diese Proteinfäden haben eine bemerkenswerte Eigenschaft. Wie viele andere Proteine können sie sich selbst organisieren und sich zu grösseren Einheiten zusammenlagern.

Die Simulationen zeigen verschiedene Varianten von links gedrehten Amyloid-Fibrillen, die sich aus denaturiertem Beta-Lactoglobulin zusammensetzen. (Bild: Prof. R. Mezzenga / ETH Zürich)

Forscher der ETH Zürich, der EPF Lausanne und der Universität Fribourg analysierten das mögliche Verhalten der Fäden anhand der Bilder des Rasterkraftmikroskops sowie mithilfe von Methoden der Polymerphysik und theoretischen Modellen. Die Kombination von Experiment und Theorie erlaubte es ihnen schliesslich, allgemein gültige fundamentale Regeln für die Bildung von Amyloid-Fibrillen aus einzelnen Proteinfäden zu formulieren. Ihre Resultate sind soeben in der neuen Ausgabe von «Nature Nanotechnology» erschienen.

Exaktes Modell

«Mit dem Modell, das wir auf dem Computer erstellt haben, können wir extrem genau voraussagen, wie sich Fibrillen bilden», sagt Raffaele Mezzenga, ETH-Professor für Nahrungsmittel- und Weichmaterial-Wissenschaft. «Bisher gibt es dafür noch kein Modell, das so exakt und für verschiedene Proteine anwendbar ist», ergänzt Giovanni Dietler, Professor für Physik von lebenden Materialien an der EPF Lausanne.

Überrascht hat die Forscher insbesondere die Struktur der Amyloid-Fibrillen: In den Fibrillen ordnen sich die einzelnen Proteine nebeneinander an und bilden so eine bandartige, spiralig verdrehte Struktur.

Dass sich Bänder bilden, ist für Mezzenga logisch erklärbar. Die Proteine tragen positive Ladungen und stossen sich eigentlich gegenseitig ab. Sie können sich deshalb nicht zu einer dichten Packung formieren, sondern müssen sich nebeneinander legen. Allerdings haben die Forscher noch nicht restlos klären können, weshalb sich die Fasern aufgrund ihrer Abstossung überhaupt zusammenlagern. Es müsse eine starke treibende Kraft geben, die diesen Widerstand überwindet, sagt der Lebensmittel-Professor. Die Wissenschaftler vermuten, dass es entlang der einzelnen Fäden ungeladene neutrale Bereiche gibt, die «wasserscheu», also hydrophob sind und einander stark anziehen.

Lebensmittelindustrie profitiert

Dass sich Proteine selbst organisieren und zu grösseren Komplexen zusammenklumpen, ist in der Natur weit verbreitet, etwa bei der Blutgerinnung. Kugelige Proteine, welche die Lebensmittelindustrie als Emulgatoren, Gelier- oder Schäumungsmittel einsetzt, können in vitro ebenfalls Amyloid-ähnliche Strukturen bilden. Deren nützliche Eigenschaften wie Elastizität oder Lösbarkeit können verwendet werden, um bestimmte Strukturen oder Gewebearten zu erhalten.

Das von Mezzenga und seinen Kollegen untersuchte Milchprotein Beta-Lactoglobulin ist in seiner ursprünglichen Form ebenfalls kugelig. Erst durch Erhitzen in einer sauren Lösung wird es fadenförmig. Beta-Lactoglobulin ist gut untersucht, da es ein wichtiger Bestandteil des Milchserums und deshalb für die Lebensmittelindustrie von Interesse ist.

Klärung von Krankheitsursachen?

Die Erkenntnisse der Wissenschaftler über die Bildung von Amyloid-Fibrillen könnten nun auch dazu beitragen, gewisse Krankheiten besser zu verstehen. Amyloid-Fibrillen können auch im Menschen entstehen und gelten als Ursache von neurodegenerativen Krankheiten wie der Alzheimer- oder Creutzfeldt-Jakob-Krankheit. Die Fibrillen bestehen jedoch aus anderen Eiweissen. Sie sind oft lang, unverzweigt und spiralig gedreht und haben einen Durchmesser von wenigen Nanometern. Wie sich diese bilden, ist noch nicht vollständig erklärbar. Das Modell der Zürcher und Westschweizer Forscher könnte aber helfen, diese Vorgänge besser zu verstehen.

Literaturhinweis

Adamcik J, Jung J-M, Flakowski J, De Los Rios P, Dietler G, Mezzenga R. Understanding Amyloid Aggregation by Statistical Analysis of Atomic Force Microscopy Images. Nature Nanotechnology. 2010, Advance online publication 11 April 2010 doi:10.1038/NNANO.2010.59

Quelle: ETH Zürich

www.ethz.ch