Wie Membransymmetrie Proteinfunktionen beeinflusst

Jede Zelle ist von einer Plasmamembran umgeben, einer lebenswichtigen Komponente, die als Barriere und Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle dient. Die molekulare Struktur dieser Membranen ist sehr vielfältig. Von besonderem Interesse ist die ungleiche Verteilung der Phospholipide, wesentlicher Bausteine der Membranen, über die beiden Membranhälften. Man geht davon aus, dass diese Asymmetrie für die effektive Kommunikation und den Transport innerhalb der Zelle entscheidend ist. Aktuelle Studien stützen sich jedoch häufig auf vereinfachte, symmetrische Modelle, die der Komplexität realer biologischer Systeme nicht gerecht werden. Folglich fehlt dieser Schlüsselaspekt in unserem Verständnis der Funktionen der Plasmamembran. Um diese Lücke zu schließen, bündelt unser Gemeinschaftsprojekt das Fachwissen von drei Forschungsgruppen aus Österreich, Deutschland und der Tschechischen Republik. Wir stellen die Hypothese auf, dass die Leistung von Membranproteinen eng mit den einzigartigen Stressmustern verbunden ist, die in asymmetrischen Zellmembranen auftreten. Diese Druckmuster werden durch die Struktur und Dynamik der Lipide sowie deren ungleichmäßige Verteilung innerhalb der Membranen beeinflusst. Durch die Erforschung dieses Zusammenhangs wollen wir neue Erkenntnisse darüber gewinnen, wie diese Eigenschaften das Verhalten von Proteinen und die gesamte Membranfunktion regulieren. Unser Ansatz besteht darin, komplexe Computersimulationen, Festkörper-NMR-Spektroskopie und Streutechniken einzusetzen, um realistische Modelle asymmetrischer Membranen zu konstruieren und zu analysieren und ihre Wechselwirkungen mit wichtigen Membranproteinen zu untersuchen. Unsere Untersuchung konzentriert sich zunächst auf die grundlegenden Eigenschaften dieser Membranen, wie Lipidanordnung, Dynamik und strukturelle Integrität, mit besonderem Schwerpunkt auf bakteriellen Lipiden. Anschließend werden wir untersuchen, wie sich diese Eigenschaften auf die Wechselwirkungen mit zwei wichtigen bakteriellen Proteinen - OmpLA und GlpG - auswirken, die unterschiedliche Strukturtypen von Membranproteinen repräsentieren. Durch die Integration dieser hochmodernen Methoden wollen wir ein breites Spektrum an zeitlichen und räumlichen Skalen untersuchen, um detaillierte Einblicke in die Rolle der Lipidasymmetrie in Zellmembranen zu gewinnen. Unsere Entdeckungen haben das Potenzial, Biotechnologie und Medizin erheblich voranzubringen. Sie könnten beispielsweise die Entwicklung gezielter Therapien auf Lipidbasis und von Biosensoren erleichtern, die auf spezifische Lipidzusammensetzungen in Zellmembranen ansprechen.