Membranproteine – wichtige Torwächter

Jede pflanzliche Zelle beinhaltet verschieden Kompartimente oder Organellen. Das sind Räume, die durch eine Membran abgegrenzt sind, so dass Prozesse und Stoffwechselwege unabhängig voneinander stattfinden können. Viele pflanzliche Stoffwechselwege sind jedoch miteinander verknüpft und erfordern ein enges Zusammenspiel zwischen den Organellen. Eine Vielzahl von Substraten, Zwischenprodukten und Cofaktoren muss über die Membran hinweg ausgetauscht werden. Die Membran eines jeden einzelnen Kompartiments ist für die meisten Moleküle jedoch nicht passierbar, damit es zu keinem ungewollten Austausch kommt. Es muss also einen Faktor geben, der den Austausch von Molekülen an der Membran kontrolliert. Daher beinhaltet jede biologische Membran spezialisierte Proteine, auch Transporter genannt, die verschiedene Moleküle über die Membran hinweg transportieren und so den Austausch zwischen den Organellen garantieren, sowie auch kontrollieren können. Ein Beispiel für einen Stoffwechselweg, der das Zusammenspiel von mindestens drei Kompartimenten benötigt, ist die Photorespiration. Dieser essentielle Prozess aller Organismen, die Photosynthese betreiben, beruht auf der Fähigkeit des Enzyms RuBisCO, neben CO₂ (die bevorzugte Reaktion) auch O₂ als Substrat zu akzeptieren. Die letztere Reaktion führt zu der Bildung eines toxischen Nebenprodukts, welches über mehrere Reaktionen hinweg entgiftet werden muss. Diese Reaktion findet hintereinander in mehreren Organellen statt. Insgesamt müssen viele Zwischenprodukte über mehrere Membranen hinweg transportiert werden. Bislang sind die meisten der erforderlichen Transportproteine jedoch noch unbekannt.

Ziel unserer Arbeit ist es, intrazelluläre Transportproteine zu identifizieren und charakterisieren. Unter experimentellen Bedingungen bauen wir unser Transportprotein in eine künstliche Membran, einen Lipidvesikel, ein. Mit einem Transporter, der zwei Moleküle in entgegengesetzte Richtung transportiert, wird ein chemischer Konzentrationsgradient an der Membran durch die Zugabe einer höheren Substratkonzentration im Inneren der Lipidvesikel aufgebaut. Durch die Zugabe einer kleinen Menge des radioaktiv markierten Substrats außerhalb der Lipidvesikel wird der Transportprozess gestartet. Der Transporter tauscht die beiden Substrate in entgegengesetzte Richtungen aus. Mit dieser Methode können wir nicht nur viele verschiedene Substrate testen, sondern auch die Eigenschaften, wie zum Beispiel die Geschwindigkeit verschiedener Transportproteine, bestimmen.

Die Charakterisierung von bislang unbekannten Transportproteinen ist wichtig, um den zellulären Stoffwechsel vollständig zu verstehen. Dies ist eine wichtige Grundlage für die Optimierung der pflanzlichen Leistungsfähigkeit. Darüber hinaus können Transportproteine eine wichtige Zielgruppe in der angewandten und synthetischen Biologie sein, um beispielsweise den Nährstoffgehalt im Saatgut zu verbessern oder Resistenzen gegenüber verschiedenen Stressfaktoren zu erzeugen bzw. verstärken.

Illustrationen wurden von Karolina Vogel angefertigt