Hochauflösendes RAMAN in der Membranproteinforschung

Membranproteine erleichtern den Durchgang verschiedener Moleküle durch Zellmembranen, physikalischen Barrieren aus Lipiden, die entweder die ganze Zelle oder einzelne Zellkompartimente wie Organellen oder Vakuolen einkapseln. Die Zusammensetzung dieser Biomembranen ist räumlich und zeitlich heterogen und sie bilden nicht nur eine physische Barriere, in der hochselektive und spezialisierte Proteine eingebettet sind, sondern ihre Zusammensetzung reguliert nachweislich auch die Funktion, Stabilität und Struktur dieser Proteine. Ungeachtet ihrer Bedeutung vernachlässigen die meisten Methoden zur Untersuchung der Struktur und Stabilität von Membranproteinen die Auswirkungen der Lipiddoppelschicht. Raman-Spektroskopie erlaubt die Untersuchung der vollständigen chemischen Struktur von biologischen Molekülen unter physiologischen Bedingungen und liefert so einen Fingerabdruck aller chemischen Bindungen der Lipiddoppelschicht, ihrer Bestandteile und ihres Zusammenspiels unter physiologischen Bedingungen. Mit dieser Methode sollen Membranproteine in Lipidmembranen entweder in Lösung oder in der Nähe eines Membranträgers untersucht werden, um Strukturen von Membranproteinen und strukturelle Veränderungen innerhalb einer intakten Lipiddoppelschicht zeit- und kosteneffizient aufzuklären. Weltweit sind mehr als die Hälfte der Bevölkerung mit Helicobacter pylori infiziert, einem Erreger, der den Magenschleim oder die Magenschleimhaut besiedelt. Bei vielen Patienten führt die Infektion zu einer Gastritis oder einem Zwölffingerdarmgeschwür. Der Harnstoffkanal HpUreI von H. pylori befindet sich im Inneren von zwei Membranen, die das Bakterium umgeben. Im sauren Milieu des Magens öffnet sich der Kanal und transportiert Magenharnstoff aus dem Kompartiment zwischen den beiden Membranen ins Zellinnere. Dort wird Harnstoff durch ein Enzym, die Urease, in Ammoniak und Kohlendioxid gespalten. Diese beiden Substanzen wiederum neutralisieren das saure Milieu und schaffen so eine lebensfähige Mikroumgebung für den Krankheitserreger. Im Projekt wird UreI, ein kleiner aus sechs gleichen Untereinheiten bestehender pH-gesteuerter Harnstoffkanal, welcher die Lebensversicherung von H. pylori darstellt, überexprimiert und aufgereinigt. Raman-Spektren von UreI werden pH abhängig im und ohne Lipidverbund aufgenommen und sollen zu einzigartigen Einblicken führen, inwiefern das Öffnungs- und Schließverhalten durch die Lipiddoppelschicht oder spezifische Lipidwechselwirkungen beeinflusst oder gesteuert wird. Daraus ergeben sich wichtige Erkenntnisse für die Forschungsbemühungen HpUreI gezielt mit Medikamenten auszuschalten. Eine potenzielle Strategie zur Eliminierung von H. pylori als Ersatz für Standardtherapien, die mit zunehmender Antibiotikaresistenz fertig werden müssen. Das Projekt wird in Zusammenarbeit zwischen dem Projektleiter Assoz. Prof. Dr. Andreas Horner (Johannes Kepler Universität Linz, Institut für Biophysik) und Co-Projektleiterin Univ.-Prof. Dr. Sabine Hild (Johannes Kepler Universität Linz, Institut für Polymerwissenschaften) durchgeführt.

Helicobacter pylori (Hp) ist ein Bakterium, das weltweit mehr als die Hälfte der Bevölkerung chronisch im Magen infiziert. Es gilt als Hauptverursacher schwerer Magenerkrankungen wie Geschwüren und Magenkrebs. Die aktuelle Standardtherapie, eine Kombination aus säurehemmenden Medikamenten und Antibiotika, verliert zunehmend an Wirksamkeit, da das Bakterium immer häufiger Resistenzen entwickelt. Dringend werden daher neue Behandlungsansätze benötigt. Ein zentraler Faktor für das Überleben von Hp im extrem sauren Milieu des Magens (pH-Wert bis 1) ist das Protein HpUreI. Dieser Kanal in der inneren Bakterienmembran lässt Harnstoff in die Zelle eindringen, wo er zu Ammoniak und Kohlendioxid umgewandelt wird und so die umgebende Säure neutralisiert. Ohne HpUreI könnte das Bakterium die aggressiven Bedingungen im Magen nicht überstehen. Doch wie genau sich dieser Kanal in Abhängigkeit von Säuregrad und Umgebung öffnet und schließt, war bisher unklar, ein Wissen, das für die Entwicklung neuer Therapien entscheidend ist. In unserer Studie nutzten wir die Raman-Spektroskopie, eine laserbasierte Methode, die es ermöglicht, die chemische Struktur von Proteinen unter fast natürlichen Bedingungen zu analysieren. Da schnelle und zuverlässige Techniken für solche Untersuchungen selten sind, bietet diese Methode eine einzigartige Möglichkeit, strukturelle Veränderungen von Membranproteinen direkt zu beobachten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich das Raman-Signal des Proteins an bestimmten Stellen des Spektrums deutlich verändert. Diese Veränderungen lassen sich nicht allein durch die Protonierung oder Deprotonierung einzelner Aminosäuren erklären. Vielmehr deuten sie auf umfassende strukturelle Anpassung des Proteins hin, die mit dem Öffnen und Schließen des Kanals in Reaktion auf pH-Änderungen einhergeht. Die Studie zeigt, dass die Raman-Spektroskopie selbst unter schwierigen experimentellen Bedingungen wertvolle strukturelle Informationen über Membranproteine liefern kann. Damit eröffnet sie neue Wege, um mit Hilfe der Vibrationsspektroskopie zu erforschen, wie äußere Faktoren wie die umgebende Lipidmembran oder Pufferbedingungen die Funktion von Membranproteinen beeinflussen. Langfristig könnten diese Erkenntnisse die Entwicklung innovativer Therapien vorantreiben, die gezielt die Überlebensstrategien von Hp im Magen unterbinden und so eine Antwort auf die wachsende Bedrohung durch Antibiotikaresistenzen bieten.